オーステナイト

オーステナイト：鋼の心臓を支える高温度相

オーステナイトとは、鉄を主成分とし、炭素やニッケル、マンガンなどの合金元素が固溶したγ鉄の結晶構造のことです。イギリスの冶金学者、ロバーツ＝オーステンによって発見され、彼の名前にちなんで命名されました。日本の冶金学者である本多光太郎は、その組織構造が水田に似ていることから「大洲田」という漢字を当てたというエピソードも残っています。

オーステナイトの結晶構造と磁性

常温・常圧下の鉄は、体心立方格子（bcc）構造を持ち、強磁性体として振る舞います。しかし、温度が上昇すると、911℃（純鉄の場合）を超えると面心立方格子（fcc）構造へと相転移し、オーステナイトとなります。このfcc構造の鉄は非磁性体であり、1気圧下、純鉄では911～1392℃の温度範囲で安定に存在します。

この相転移は、A3変態と呼ばれ、体心立方格子から面心立方格子への構造変化を伴います。体心立方格子の空間充填率が68%であるのに対し、面心立方格子の空間充填率は74%と高く、原子間の隙間が小さくなります。そのため、A3変態では加熱時には体積が減少し、冷却時には体積が増加する特徴があります。

実際には、加熱時と冷却時でA3変態温度はわずかに異なり、加熱時はAc3点、冷却時はAr3点と呼ばれ区別されます。Ac3点は911℃よりやや高く、Ar3点は911℃よりやや低い温度となります。

オーステナイトと熱処理

オーステナイト状態の鉄を急速に冷却すると、マルテンサイトと呼ばれる硬くて脆い組織が生成されます。このマルテンサイト変態を利用した熱処理が焼入れです。焼入れを行う際には、必ずA3変態点を超える温度まで鉄を加熱する必要があります。

さらに高温、1392℃を超えると、オーステナイトはδフェライト（δ鉄）へと相転移します。この温度をA4点と呼びます。

炭素の固溶とオーステナイト安定性

オーステナイトは、炭素を最大2.14質量%まで固溶させることができます（1147℃）。この炭素の固溶量は、鋼と鋳鉄を区別する重要な指標となっています。炭素はオーステナイトのfcc構造中に侵入型固溶体として存在します。

炭素含有量が増加すると、オーステナイトの安定領域である温度範囲は広がります。これは炭素がオーステナイトの熱力学的安定性を向上させるためです。[ニッケル]、[窒素]、[マンガン]、[パラジウム]などの[元素]]も同様にオーステナイトの安定化に寄与し、これらの元素はオーステナイト形成元素と呼ばれます。一方、ケイ素]、[モリブデン]、[チタン]、[バナジウム]などの[[元素はオーステナイトの安定領域を狭めるため、フェライト形成元素と呼ばれます。

まとめ

オーステナイトは、鋼の製造において重要な役割を果たす高温度相です。その結晶構造、相転移、炭素の固溶挙動など、多様な特性を理解することは、高品質な鋼材を製造する上で不可欠です。今後の研究開発においても、オーステナイトに関する知見はますます重要性を増していくでしょう。

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