2016年度　大学院「先進構造材料特論」講義

鉄鋼材料学

第１回（4/14）

京都大学　大学院　工学研究科 材料工学専攻

辻　伸泰

April 14, 2016 ＠京都大学

社会を支える構造用金属材料

2

固体金属は、結晶構造を有する

【結晶】 原子または分子が、空間中で周期的に規則正しく配列して形成されている物質

FCC金属の結晶

ガーネット（柘榴石）の結晶

雪（氷：H2O）の結晶

3

電子雲

結晶格子

　部品・製品　　電子・原子　

大 き さ0.1nm 1nm 1µm 1mm 1m

非晶質

ナノ結晶粒

100nm 100nm 100nm

　超微細結晶粒　

　ナノ　 　ミクロ　 　メゾ　　転位サブ組織　

　双晶組織　　多結晶組織　

金属中の構造（内部組織、ミクロ組織： Micro/Nano-structures）の階層性

1Å

4

日本刀の焼き入れ

金属材料は、化学組成が同一でも

内部組織が違うと大きく性質が異なる

5

降伏応力�（MPa）�

引張強さ�（MPa）�

均一伸び�（％）�

全伸び�（％）�

フェライト・パーライト�組織�

（高温からゆっくり冷却）�300� 400� 23� 37�

マルテンサイト組織�（高温から焼き入れ）�

890� 1100� 4� 15�

マルテンサイトに焼戻し�熱処理を加えた組織（600℃ x 30min）�

500� 580� 10� 35�

SS400鋼（Fe-0.13C-0.01Si-0.37Mn-0.020P-0.004S） の組織と機械的性質

強度 延性�6

鉄（鐡）と鋼

Iron and Steel

Fe-C系状態図 鋼（Steel）は鉄（Fe: Iron）と炭素（C）の合金

8 鋼 (Steel)� 鋳鉄 (Cast Iron)�

純鉄 (Iron)�

鉄（Fe）はもっとも安定な元素

9

Science in School http://www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion�

核子の数（原子番号）�

核子

1個あ

たり

の結

合エ

ネル

ギー

（核子

1個あ

たり

の質

量）

核融合�

核分裂�

宇宙（太陽系）における元素の存在比

10

隕石（Meteorite）

11

Fe-Ni合金

地球の構成物質

12 地球の核はFe-Ni合金

地球全体の32～34 wt%は鉄(Fe)

純鉄の同素変態 【同素変態】

同一の化学組成を有する固体の相が、別の相（結晶構造）に変化すること。�

温度�

Fe � 融点� 液相�固相�

1536℃

1392℃（

A4 点）

911℃（

A3 点）

δ相 （フェライト ：BCC）

γ相 （オーステ

ナイト：FCC）

α相 （フェライト ：BCC）

13

特異�

純鉄の磁気変態

温度�

Fe � 融点� 液相�固相�

1536℃

1392℃（

A4 点）

911℃（

A3 点）

δ相 （フェライト ：BCC）

γ相 （オーステ

ナイト：FCC）

α相 （フェライト ：BCC）

14

特異�7

70℃（キュリー

温度、

A2点）

強磁性� 常磁性�

ある一定温度・圧力下でおこる相変態を考える場合、系の安定性はギブスの自由エネルギー(G)の大小により議論される。

G ≡ H − T Sここで、

エンタルピー：� H ≡ E + P VE：内部エネルギー（原子の結合エネ����ルギーと運動エネルギー）P：圧力V：体積T：絶対温度S：エントロピー（乱雑さ）（配列のエントロピー、熱的エントロピー（固体中では振動の組み合わせ））�

平衡状態：Gibbsの自由エネルギー

Gは組成(Xi)、温度(T)と圧力(P)の関数

15

純物質の固相および液相のエンタルピー(H)とギブズの自由エネルギー(G)

16

G ≡ H − T S

鉄の同素変態と膨張曲線

17

γ ⇄ α 変態があるおかげで、鉄鋼は多様な相変態を通じて幅広い特性を獲得できる

18

純鉄の温度-圧力状態図

19

BCC �

FCC �

BCC � HCP�

予備�

n 固体物理学 n 電子論 n 結晶学 n 回折学 n 格子欠陥論 n 原子拡散 n 合金の熱力学（平衡状態図） n 相変態論（速度論） n 力学、材料強度学 n 転位論、破壊力学 n 鋳造工学 n 塑性加工学 n その他

金属材料を理解するために必要な学問分野

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