ベイナイト

ベイナイトは、鋼鉄において125～550℃（合金の含有量によって異なる）の温度で形成される板状の微細組織である。 ^[1] ES・ダベンポートとエドガー・ベインによって初めて説明され、^{[2] [3]}オーステナイト（鉄の面心立方結晶構造）が、フェライト、セメンタイト、またはフェライトとセメンタイトに対して熱力学的に安定しなくなる温度を超えて冷却されたときに形成される生成物の1つである。ダベンポートとベインは当初、この微細組織が焼き戻しマルテンサイトに外観が似ていると説明していた。

ベイナイトは微細な非層状構造で、一般的にセメンタイトと転位の多いフェライトから構成されています。ベイナイト中のフェライトの転位密度が高く、ベイナイトの小板のサイズが細かいため、このフェライトは通常よりも硬くなります。^{[4] [5]}

オーステナイトからベイナイトへの変態温度範囲（125～550℃）は、パーライトとマルテンサイトの間の温度範囲です。実際、ベイナイト変態開始温度に根本的な下限はありません。^{[1] [6]}連続冷却中に形成される場合、ベイナイトを形成するための冷却速度はパーライトを形成するために必要な速度よりも速いですが、マルテンサイトを形成するために必要な速度よりも遅くなります（同じ組成の鋼の場合）。ほとんどの合金元素はベイナイトの形成を遅らせますが、炭素が最も効果的です。^[7]アルミニウムやコバルトは、オーステナイトの分解を促進し、変態温度を上昇させるという点で例外です。^[8]

マルテンサイトとベイナイトの微細構造は一見非常に似ており、低合金鋼では薄い板が集まってできている。これは、2つの微細構造が変態メカニズムの多くの側面を共有しているためである。しかし、透過型電子顕微鏡でしか確認できない形態的差異が存在する。光学顕微鏡では、ベイナイトの微細構造は、ベイナイトに多くの下部構造があるため、焼戻しされていないマルテンサイトよりも暗く見える。^[9]

ベイナイトの硬度は、同じ鋼の硬度の中ではパーライトと非焼戻しマルテンサイトの中間になります。ベイナイトは等温冷却または連続冷却のどちらでも生成できるという大きな利点があり、合金元素を過剰に添加することなく大型部品の製造が容易になります。マルテンサイト鋼とは異なり、ベイナイトをベースとした合金は、強度と靭性を最適化するために変態後にさらに熱処理を加える必要がないことが多いです。^[10]

1920年代にダベンポートとベインは、既知の低温マルテンサイト相と当時トルースタイト（後に細パーライト）として知られていた相の中間に位置することから暫定的にマルテンサイト-トルースタイトと名付けた新しい鋼の微細組織を発見した。^[7]この微細組織はその後、ベインの同僚である米国鉄鋼会社でベインによってベイナイトと命名されたが、^[11]この名前が科学界に採用されるまでには時間がかかり、1947年になっても書籍にはベイナイトの名称は記載されていなかった。^[7]

ベインとダベンポートは、2つの異なる形態が存在することも指摘した。それは、より高温で形成される「上部範囲」ベイナイトと、マルテンサイト開始温度付近で形成される「下部範囲」ベイナイトである（これらの形態は現在、それぞれ上部ベイナイトと下部ベイナイトとして知られている）。初期の用語は、一部の合金において、パーライト反応の下部範囲とベイナイトの上部範囲が重なり、さらに初析フェライトの可能性もあったため、さらに混乱を招いた。^[7]

約 900 °C を超えると、一般的な低炭素鋼は、立方最密結晶構造を持つ鉄の高温相であるオーステナイトのみで構成されます。 ^[12]冷却すると、正確な化学組成に応じて、フェライトとセメンタイトの混合相に変化する傾向があります。共析組成の鋼は、平衡状態では、 フェライトとセメンタイト (Fe ₃ C)の交互になった混合物であるパー​​ライトに変化します。状態図によって示される熱力学的考慮事項に加えて、鋼の相変態は化学速度論によって大きく影響されます。これは、一般的な処理条件下では、約 600 °C 未満で鉄原子の拡散が困難になるためです。その結果、原子の移動度が制限されると、複雑な微細構造の配列が発生します。これにより、冷却速度によって強く影響される鋼の微細構造が複雑になります。これは、サンプルが特定の速度で冷却されたときに相を形成するのに必要な時間をプロットする連続冷却変態(CCT) 図で説明できます。これにより、特定の熱サイクルに対して予想される相分率を推測できる時間温度空間の領域が表示されます。

鋼をゆっくり冷却するか、高温で等温変態させると、得られる微細組織は平衡に近づき、^[13]例えば、異形フェライト、セメンタイト、パーライトを含む。しかし、オーステナイトからパーライトへの変態は、鉄と炭素原子の大規模な移動を必要とする時間依存の再構成反応である。格子間炭素は中程度の温度でも容易に拡散するが、鉄の自己拡散は600℃以下の温度で極めて遅くなり、実質的に停止する。その結果、急速に冷却された鋼は、反応が不完全で、残りのオーステナイトが熱力学的に不安定であるにもかかわらず、パーライトが形成できなくなる温度に達する可能性がある。^[14]

高温変態を避けるのに十分な速さで冷却されたオーステナイトは、オーステナイトの面心結晶構造を歪んだ体心正方晶または体心立方晶構造に変形させることにより、鉄や炭素の拡散なしにマルテンサイトを形成することができる。この非平衡相は、反応の駆動力が変態によって課されるかなりの格子ひずみを克服するのに十分である低温でのみ形成され得る。変態は本質的に時間に依存せず、相分率は臨界マルテンサイト開始温度以下の冷却度合いのみに依存する。^[15] さらに、変態は置換原子または格子間原子の拡散なしに起こるため、マルテンサイトは親オーステナイトの組成を継承する。

ベイナイトは、鉄の自己拡散が制限されるものの、マルテンサイトを形成するための駆動力が不十分な温度範囲で、これら 2 つのプロセスの間の領域を占めます。ベイナイトは、マルテンサイトと同様に拡散せずに成長しますが、炭素の一部は残留オーステナイトに分配されるか、セメンタイトとして沈殿します。さらに、マルテンサイト開始温度に近い温度で形成されるいわゆる下部ベイナイトと、より高温で形成される上部ベイナイトに区別されることがよくあります。この区別は、ベイナイトが形成される温度での炭素の拡散速度によって生じます。温度が高い場合、炭素は新しく形成されたフェライトから急速に拡散し、フェライト板間の炭素に富む残留オーステナイトに炭化物を形成し、炭化物のない状態にします。温度が低い場合、炭素の拡散はより遅く、ベイナイト フェライトから離れる前に沈殿する場合があります。ベイナイトの変態メカニズムの詳細については議論があり、両方の理論を以下で示します。

ベイナイトの特定の形成メカニズムに関する理論の 1 つは、マルテンサイトの場合と同様に、せん断変態によって発生するというものです。結晶構造の変化は、拡散ではなく変形によって実現されます。ベイナイトに関連する形状変化は、大きなせん断成分を伴う不変の平面ひずみです。この種の変形は、原子の規律ある運動 (拡散に関連する無秩序な移動ではなく) を意味し、^[16]マルテンサイト、ベイナイト、ウィドマンシュテッテン フェライトなどの鋼のすべての変位変態に典型的です。このような緩和にはひずみエネルギーが関連しており、変態生成物の板状につながります^[17]拡散はすべて、オーステナイトの拡散のない変態、たとえば過飽和ベイナイト フェライトからの炭素の分配、または炭化物の析出の後に発生します。これは、マルテンサイトの焼き戻しに類似しています。

この理論によって正しく予測されるベイナイトの特徴は数多くあり、その中には次のようなものがあります。

• 板の形状は、変形に伴う形状の変形によるひずみエネルギーの最小化の結果である。^[18]
• ベイニティックフェライトの欠陥のない領域内にも過剰な炭素が保持されるという事実。^[19]
• ベイニティックフェライトの単位格子は立方晶ではなく四方晶である可能性があるという事実。^{[20] [21] [22] [23]}
• オーステナイトが最初に塑性変形するとベイナイト変態が劇的に遅くなるという事実は、機械的安定化として知られる現象であり、変位変態に特有である。^[24]
• ベイナイトが成長すると変位が発生することは明白な事実です。変態はマルテンサイトと同様に変形と結晶構造の変化の組み合わせです。^[7]

ベイナイトの変態過程の拡散理論は、ベイナイトフェライト板が高温でウィドマンシュテッテンフェライトと同様のメカニズムで成長するという仮定に基づいています。したがって、その成長速度は、成長するフェライトからオーステナイトに炭素がどれだけ速く拡散するかに依存します。このメカニズムでは、一貫性のある界面や表面起伏の可能性が排除されるという誤解がよくあります。実際には、ウィドマンシュテッテンフェライトの形成は炭素の拡散によって制御され、同様の表面起伏を示すと一部の人々は認めています。^[25]

典型的には、ベイナイトは、残留オーステナイト、マルテンサイト、またはセメンタイトによって分離されたフェライトプレート（サブユニット）の集合体（シーブ）として現れます。 ^[26]サブユニットは2次元断面で見ると別々に見えますが、実際には3次元では相互接続されており、通常はレンズ状のプレートまたはラスの形態をとります。シーブ自体はくさび形で、厚い端が核生成部位に関連しています。

フェライトプレートの厚さは、変態温度とともに増加することが分かっています。^[27] ニューラルネットワークモデルは、これが温度自体の直接的な影響ではなく、反応の駆動力の温度依存性とプレート周囲のオーステナイトの強度の結果であることを示しました。^[27]温度が高く、したがって過冷却が少ない場合、熱力学的駆動力の減少により核生成速度が低下し、個々のプレートが物理的に互いに衝突する前に大きくなることができます。さらに、プレートの成長は周囲のオーステナイトの塑性流動によって調整される必要がありますが、オーステナイトが強く、プレートの成長に抵抗する場合は困難です。

「上部ベイナイト」は、400～550℃付近で束状に形成される。これらの束には、ほぼ平行なフェライトの小片がいくつか含まれており、周囲のオーステナイトとクルジュモフ・サックスの関係を示すが、この関係は変態温度が下がると悪化する。これらの束のフェライトの炭素濃度は0.03%未満であるため、小片の周囲には炭素を多く含むオーステナイトが形成される。^[28]

ラス間に形成されるセメンタイトの量は、鋼の炭素含有量によって決まります。炭素含有量の低い鋼の場合、通常、ラス間には不連続な「ストリンガー」またはセメンタイトの小さな粒子が存在します。炭素含有量の高い鋼の場合、ストリンガーは隣接するラスの長さに沿って連続的になります。^[28]

下部ベイナイトは250～400℃で形成され、上部ベイナイトよりも板状の形状をとる。下部ベイナイトのラス間の低角境界は上部ベイナイトほど多くはない。下部ベイナイトでは、変態温度が低下するにつれて、フェライトの晶癖面も<111>から<110>の方向にシフトする。^[28] 下部ベイナイトでは、セメンタイトは フェライトとオーステナイトの界面で核生成する。

ここでの「不完全な変態」とは、炭化物の析出がない場合、ベイナイト反応はオーステナイトが平衡または準平衡の化学組成に達する前に停止するという事実を指します。ベイナイト反応は、同一組成のオーステナイトとフェライトの自由エネルギーが同じになる時点で停止します。つまり、関与する相の化学組成の変化なしの変態は熱力学的に不可能になります。

ベイナイトに関する初期の研究では、特定の温度では、オーステナイトの特定の体積分率のみがベイナイトに変化し、残りは長時間の遅延の後にパーライトに分解することが判明しました。これは、オーステナイトがより安定している高温では、完全なオーステナイトからパーライトへの変化が達成できるという事実にもかかわらず当てはまりました。形成できるベイナイトの割合は、温度が低下するにつれて増加しました。これは最終的に、ベイナイトフェライトが形成されると、過飽和炭素が周囲のオーステナイトに追い出され、熱力学的に安定化されてそれ以上の変化が起こらないという事実を説明することで説明されました。^[29]

ベイナイトは本質的には変態の過程で焼き入れされるマルテンサイトとみなすことができます。ベイナイトはマルテンサイトよりも高い温度で形成され、後者でさえも自動焼き入れが可能です。^[30]変態温度が高いため、オーステナイト自体は機械的に弱く、ベイナイトによる形状変形は隣接するオーステナイトの塑性変形によって緩和されます。その結果、成長するベイナイトのプレートは転位の森に直面し、プレートがオーステナイトの粒界にぶつかる前に最終的に成長を停止します。したがって、ベイナイトのプレートは、同じ鋼のマルテンサイトのプレートよりも小さくなる可能性があります。その後、変態は新しいプレートの連続的な核生成を含むサブユニットメカニズムによって進行します。^[31]

鋼中のベイナイト含有量が増加すると、硬度、降伏強度、引張強度はベイナイト含有量が50%まではほぼ一定で、それを超えると約30%増加します。^{[4]そのため、}ロールスロイス・ホールディングスとタタ・スチールは、メートルサイズの高ベイナイト鋼のシャフトとプレートを商業的に大量生産しています。^[1]

鉄道業界では、ベイナイト鋼は一般にバナジウムと合金化され、優れた耐摩耗性と転がり接触疲労性を備えた非常に高い強度のレールを生産します。コーラス社が製造したベイナイトレールは2006年に英仏海峡トンネルに設置され、3年経っても同年代の標準レールに見られるような亀裂は見られませんでした。^[32]

ウィキメディア・コモンズには、ベイナイトに関連するメディアがあります。

• ベイナイトに関する無料の教科書、全 3 版。
• 鋼の変態理論
• 鉄鋼の合金元素、エドガー・C・ベイン著
• ベイナイトの概要（多言語）
• ダベンポートとベインの原著論文
• 世界初のバルクナノ構造金属