マルテンサイト

マルテンサイトは鋼の結晶構造の中でも非常に硬い形態です。ドイツの冶金学者アドルフ・マルテンスにちなんで名付けられました。類推的に、この用語は拡散のない変態によって形成されるあらゆる結晶構造を指すこともあります。^{[ 1 ]}

炭素鋼では、オーステナイト型の鉄を非常に速い速度で急冷（焼入れ）すると、炭素原子が結晶構造から拡散してセメンタイト（Fe ₃ C）を形成するのに十分な量に達する時間がないほどの速さで冷却されるため、マルテンサイトが形成されます。オーステナイトはγ相鉄（γ-Fe）であり、鉄と合金元素の固溶体です。焼入れの結果、面心立方構造のオーステナイトは、炭素が過飽和状態にある、歪みの大きい体心正方構造のマルテンサイトに変化します。その結果生じるせん断変形により、多数の転位が発生し、これが鋼の主要な強化機構となります。パーライト鋼の最高硬度はブリネル硬度400ですが、マルテンサイトはブリネル硬度700に達することができます。^{[ 2 ]}  

マルテンサイト変態は、冷却中にオーステナイトがマルテンサイト開始温度（M _s）に達し、母体オーステナイトが機械的に不安定になったときに始まります。試料が急冷されるにつれて、オーステナイトのますます大きな割合がマルテンサイトに変態し、より低い変態温度 M _fに達すると変態が完了します。^{[ 1 ]}

共析鋼（炭素含有量0.76%）の場合、残留オーステナイトと呼ばれるオーステナイトが6～10%残ります。残留オーステナイトの割合は、炭素含有量が0.6%未満の鋼ではごくわずかですが、0.95%の鋼では13%、1.4%の炭素鋼では30～47%に増加します。マルテンサイトを生成するには、非常に急速な冷却が不可欠です。薄肉の共析炭素鋼の場合、750  ℃から450  ℃まで0.7秒（430℃/秒の速度 ）で冷却すると、パーライトは形成されず、鋼は少量の残留オーステナイトを含むマルテンサイトになります。^{[ 2 ]}

炭素含有量が0～0.6%の鋼では、マルテンサイトはラス状の外観を呈し、ラスマルテンサイトと呼ばれます。炭素含有量が1%を超える鋼では、板状の構造を形成し、板状マルテンサイトと呼ばれます。この2つの割合の間では、結晶粒の外観は両方の混合となります。残留オーステナイトの量が増えるにつれて、マルテンサイトの強度は低下します。冷却速度が臨界冷却速度よりも遅い場合、結晶粒界から始まり、Ms温度に達するまで結晶粒内に成長するパーライトがいくらか形成され_、その後、残りのオーステナイトは鋼の音速の約半分の速度でマルテンサイトに変化します。

特定の合金鋼では、鋼を M _{s温度で M s}以下に急冷し、その後塑性変形によって断面積を元の 20% ～ 40% まで減少させることで、マルテンサイトを形成できます。このプロセスにより、転位密度は最大 10 ¹³ /cm ²になります。多数の転位と、転位を発生させて固定する析出物が組み合わさることで、非常に硬い鋼が生成されます。この特性は、イットリア安定化ジルコニアなどの強化セラミックスや、 TRIP 鋼などの特殊鋼でよく利用されています。したがって、マルテンサイトは熱誘起または応力誘起によって生成できます。^{[ 1 ] [ 3 ]}

マルテンサイト相の成長には、拡散を伴わない変態であるため、熱活性化エネルギーはほとんど必要ありません。この変態は、原子位置の微妙かつ迅速な再配列をもたらし、極低温でも発生することが知られています。^{[ 1 ]}マルテンサイトはオーステナイトよりも密度が低いため、マルテンサイト変態は相対的な体積変化をもたらします。^{[ 4 ]}体積変化よりもはるかに重要なのはせん断ひずみであり、その大きさは約0.26で、マルテンサイトの板状構造の形状を決定します。^{[ 5 ]}

マルテンサイトは平衡相ではないため、鉄-炭素系の平衡相図には示されていません。平衡相は拡散に十分な時間を与えるゆっくりとした冷却速度によって形成されますが、マルテンサイトは通常、非常に速い冷却速度によって形成されます。化学プロセス（平衡への到達）は高温で加速するため、マルテンサイトは熱を加えることで容易に破壊されます。このプロセスは焼き戻しと呼ばれます。一部の合金では、セメンタイトの核生成を阻害するタングステンなどの元素を添加することでその影響を軽減しますが、多くの場合、応力緩和のために核生成が進行するようにします。焼入れは制御が難しいため、多くの鋼はマルテンサイトを過剰に生成するように焼入れされ、その後、目的の用途に適した構造が得られるまで徐々に濃度を下げて焼き戻しされます。マルテンサイトの針状の微細構造は、材料の脆性につながります。マルテンサイトが多すぎると鋼は脆くなり、少なすぎると軟らかくなります。

鋼では、歪み誘起マルテンサイト変態が一般的に面心立方（FCC）オーステナイトから体心立方（BCC）または体心正方（BCT）構造へと起こる。しかし、鋼^{[ 6 ]}や高エントロピー合金^{[ 7 ]}では、無秩序なBCC母相からFCC生成相への特異なマルテンサイト変態も観察されている。

• 共晶
• 共析
• フェライト（鉄）
• マルエージング鋼
• ばね鋼
• 工具鋼

• ケンブリッジ大学によるマルテンサイトに関する包括的な資料
• ケンブリッジ大学のHDKH Bhadeshia教授によるYouTube講義
• アメリカ金属学会発行「非冶金学者のための冶金学」
• PTCLab---単一せん断理論または二重せん断理論を用いてマルテンサイト結晶構造を計算可能
• ケンブリッジ大学による鋼材の変形理論に関する新刊が無料でダウンロード可能になりました。