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拡散なしの変態は、一般的に変位変態として知られており、原子が広範囲に拡散することに左右されない結晶構造の固体状態の変化を指します。むしろ、これらの変態は原子の位置の同期シフトの結果として現れ、原子は隣接する原子間の距離よりも小さい距離の変位を受けますが、相対的な配置は維持されます。このような現象の例として、鉄鋼材料で観察される注目すべき現象であるマルテンサイト変態があります。
「マルテンサイト」という用語は、もともと、急速冷却を受けた鋼に現れる硬くて細かく分散した成分を表すために造られました。その後の調査で、鉄合金以外の材料、たとえば非鉄合金やセラミックも、拡散なしの変態を起こす可能性があることが明らかになりました。その結果、「マルテンサイト」という用語は、そのような変態から生じる生成物をより包括的に包含するように進化しました。拡散なしの変態の文脈では、協力的で均質な動きが発生し、相変化中に結晶構造が変化します。これらの動きは小さく、通常は原子間距離よりも小さく、原子の隣の原子は近いままです。
多数の原子の体系的な動きから、フレデリック・チャールズ・フランクとジョン・ワイリル・クリスチャンはこれを、民間の拡散に基づく相変化とは対照的に、軍事的変化と呼ぶようになった。[1] [2]
このタイプの変態で最も一般的に見られるのはマルテンサイト変態です。これはおそらく最も研究されているものですが、非拡散変態の 1 つのサブセットにすぎません。鋼鉄のマルテンサイト変態は、このカテゴリの相変態の中で最も経済的に重要な例です。ただし、形状記憶合金などの代替品もますます増えており、その重要性も高まっています。
分類と定義
原子または原子群が協調して隣接する原子を置換し、構造変化を引き起こす現象は、置換変換として知られています。置換変換の範囲は広く、多様な構造変化を網羅しています。その結果、これらの変換をより微妙に理解できるように、追加の分類が考案されました。[3]
最初の区別は、格子歪曲ひずみが支配的な変換と、シャッフルがより重要となる変換との間に行うことができます。
均質格子歪はベイン歪とも呼ばれ、あるブラヴェ格子を別のブラヴェ格子に変換します。これは、1 つのベクトルyを新しいベクトルxに変換する歪行列 Sで表すことができます。
これは、直線が新しい直線に変換されるため、同次です。このような変換の例には、立方格子が3 つの軸すべてでサイズが拡大する (膨張) ことや、単斜晶構造に変形することなどがあります。
シャッフルとは、その名の通り、単位格子内の原子の微小な変位を指します。特に、純粋なシャッフルは通常、単位格子の形状の変更を誘発しません。その代わり、主にその対称性と全体的な構造構成に影響を及ぼします。
相転移により、通常、転移した材料と元の材料を区切る界面が形成されます。この新しい界面を確立するために必要なエネルギーは、その特性、特に 2 つの構造がどの程度うまくかみ合っているかによって決まります。転移が形状の変化を伴う場合は、エネルギーに関する追加の考慮事項が生じます。このような場合、新しい相が周囲の材料によって制約されると、弾性変形または塑性変形が発生し、ひずみエネルギー項が導入される可能性があります。これらの界面エネルギー項とひずみエネルギー項の相互作用は、転移の速度論と結果として生じる相の形態に大きな影響を与えます。特に、歪みが最小限であるシャッフル転移では、界面エネルギーが優勢になる傾向があり、ひずみエネルギーの影響がより顕著な格子歪み転移と区別されます。
格子歪み変位のサブ分類は、歪みの希釈成分とせん断成分を考慮することによって行うことができます。せん断成分が支配的な変態では、新しい相の中に親相から歪みのない線が見つかる可能性がありますが、膨張が支配的である場合はすべての線が歪みます。せん断が支配的な変態は、格子内の原子の固有振動と比較した関連する歪みエネルギーの大きさ、つまり歪みエネルギーが変態の速度論と結果として生じる相の形態に顕著な影響を与えるかどうかによってさらに分類できます。歪みエネルギーが重要な要素である場合、その変態はマルテンサイト変態と呼ばれ、そうでない場合は準マルテンサイト変態と呼ばれます。
鉄-炭素マルテンサイト変態
オーステナイト鋼とマルテンサイト鋼の違いは、本質的に微妙です。[4]オーステナイトは面心立方 (FCC) 単位格子を示しますが、マルテンサイトへの変態では、この立方体が体心正方 (BCT) 形状に変形します。この変態は、格子間炭素原子が拡散する時間がない変位プロセスによって発生します。[5]その結果、単位格子は 1 つの次元でわずかに伸び、他の 2 つの次元で収縮します。結晶構造の対称性は異なりますが、それらの間の化学結合は同様のままです。
鉄-炭素マルテンサイト変態により硬度が上昇します。鋼のマルテンサイト相は炭素が過飽和状態にあるため、固溶強化が起こります。[6]加工硬化鋼と同様に、欠陥により原子が組織的に互いに滑り合うのが妨げられ、材料が硬くなります。
擬似マルテンサイト変態
変位型変態と拡散型変態に加えて、変位型サブラティス転移と原子拡散を伴う新しいタイプの相変態が高圧X線回折システムを使用して発見されました。[7]新しい変態メカニズムは擬似マルテンサイト変態と名付けられました。[8]
参考文献
注記
- ^ DA Porter および KE Easterling、「金属および合金の相転移」、Chapman & Hall、1992 年、p.172 ISBN 0-412-45030-5
- ^ 西山善次 (1967). 「マルテンサイトの格子欠陥」....日本金属学会会報。6 (7)。 日本金属学会: 497–506.土井：10.2320/materia1962.6.497。ISSN 1884-5835。 2023年6月17日にオリジナルからアーカイブ – J-STAGE経由。
- ^ Cohen, Morris; Olson, GB; Clapp, PC (1979). 変位型相変態の分類について(PDF)。マルテンサイト変態に関する国際会議。pp. 1–11。
- ^ Duhamel, C.; Venkataraman, S.; Scudino, S.; Eckert, J. (2008 年 5 月)、「拡散のない変換」、複合金属間化合物の熱力学と相転移の基礎、複合金属合金に関する書籍シリーズ、第 1 巻、WORLD SCIENTIFIC、pp. 119–145、Bibcode :2008btpt.book..119D、doi :10.1142/9789812790590_0006、ISBN 978-981-279-058-3、 2023-08-11取得
- ^ シェウモン、ポール・G. (1969)。金属の変形。ニューヨーク：マグロウヒル。p. 333。ISBN 978-0-07-056694-1。
- ^ Banerjee, S.; Mukhopadhyay, P. (2007). 相転移: チタンおよびジルコニウム合金の例. Pergamon 材料シリーズ. アムステルダム; オックスフォード: Elsevier/Pergamon. ISBN 978-0-08-042145-2. OCLC 156890507.
- ^ Chen, Jiuhua; Weidner, Donald J.; Parise, John B.; Vaughan, Michael T.; Raterron, Paul (2001-04-30). 「高圧高温でのその場シンクロトロンX線回折によるファイヤライトのオリビン-スピネル遷移中のカチオン再配列の観察」。Physical Review Letters。86 ( 18)。アメリカ物理学会 (APS): 4072–4075。Bibcode :2001PhRvL..86.4072C。doi : 10.1103 /physrevlett.86.4072。ISSN 0031-9007。PMID 11328098。2023-06-17にオリジナル からアーカイブ 。
- ^ Leutwyler, Kristin (2001年5月2日). 「新たな相転移が深部地震の原因となる可能性」. Scientific American . 2014年11月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2023年6月17日閲覧。
文献
- クリスチャン、JW、金属と合金の変換理論、ペルガモンプレス（1975）
- ハチャトゥリアン、AG、「固体の構造変換の理論」、ドーバー出版、ニューヨーク (1983)
- Green, DJ; Hannick, R.; Swain, MV (1989)。セラミックスの変態強化。ボカラトン: CRC プレス。ISBN 0-8493-6594-5。
外部リンク
- ケンブリッジ大学からの豊富なリソース
- 立方晶から正方晶への転移
- マルテンサイト変態に関する欧州シンポジウム (ESOMAT)
- マルテンサイト結晶学のためのPTCラボ