マテリアル工学実験 I

<金属材料 : 合金設計と組織観察(2)>

東北大学 金属材料研究所 関西センタ- （大阪府立大学 客員研究員）

千 星 聡

基本事項

■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方

1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性

2. 身近な状態図

3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例

金属材料の組織と特性

【材料組織】 【材料特性】

単相材

結晶構造 (原子の配列)

欠陥 (空孔, 転位, 積層欠陥)

結晶サイズ, 方位, 配向性

多相材

第二相の存在、組成

分布状態 (体積分率, サイズ, …)

力学的特性

電気的特性

熱的特性

磁気的特性

光学的特性

劣化特性 (化学反応性)

* 大阪府立大学マテリアル工学分野社会基盤GHPより

組織制御法 ① (熱間鍛造)

【組織制御】← 材料本来の特性を引き出す

連続鋳造 (凝固)

<例1> 鋼板の熱間圧延（単相での組織変化）

熱間圧延 (動的再結晶)

冷間圧延 (加工硬化)

ひずみ蓄積

回復

再結晶開始

等軸粒組織

*組織は変わるが相は同じ

鋳塊

組織制御法② （時効処理）

<例2> Al-Cu合金の時効強化

（第二相の生成）

時効

溶体化

Al-Cu 合金（Cu : ～4 wt.%）

*高温で保持/急冷

*中温で保持

第二相が析出

高強度化 200 nm

* 今野豊彦: 「物質からの回折と結像」（共立出版）

状態図の必要性

① 構成元素(組成), ② 加工、熱処理

「状態図」：組成や温度による物質の状態を表す図

・組織の主要な要素である「安定相」が「組成」,「温度」に

依存してどのように現れるかがわかる。

・合金組成や熱処理条件の選定に有効な知見を与える。

【組織制御】← 材料本来の特性を引き出す

用語の確認

◎ ＿（phase）とは？ … 濃度も結晶構造も場所によらず一様な領域

（局所的な組成偏析、結晶構造は考えない）

固相、 液相、 気相

純金属 （Pure metal）

＿＿＿＿＿＿＿＿ (Intermediate phase)

＿＿(Alloy)

＿＿＿ （Solid solution）

→ 置換型固溶体 （Substitutional …）

→ 侵入型固溶体 （Interstitial …）

金属間化合物

用語の確認

◎ 相（phase）とは？ … 濃度も結晶構造も場所によらず一様な領域

（局所的な組成偏析、結晶構造は考えない）

固相、 液相、 気相

純金属 （Pure metal）

(金属間)化合物 (Intermediate phase)

合金(Alloy)

固溶体 （Solid solution）

→ 置換型固溶体 （Substitutional …）

→ 侵入型固溶体 （Interstitial …）

金属間化合物

基本事項

■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方

1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性

2. 身近な状態図

3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例

◇ 三相共存 ：自由度 F = 0 → ただ1点

◇ 二相共存 ：自由度 F = 1 → 圧力に対して、温度が変化 (圧力が決まれば、温度が決まる)

◇ 一相状態 ：自由度 F = 2 → 圧力、温度が任意

一元系の相律 （phase rule）

温度:0.01 ℃（273.16 K）、 圧力: 611.73 Pa（0.006気圧）

水（一元系）の状態図

* 山でカップ麺

二元系の状態図（水-食塩）

(a)単相 (p = 1)：自由度f = 2

…種々の温度T, 組成xの塩水が存在。

(b)二相 (p = 2)：自由度f = 1

…温度Tを選ぶと二相の組成が決定。

(c)三相 (p = 3)：自由度f = 0

…温度-21.3℃で三相（氷,食塩,

塩水(23.3%)）に分かれる。

(*)四相平衡は起こりえない。

(* 圧力を変数とした時は可能。)

二元系の相律

• 沸点上昇 (枝豆) • 融点降下 (融雪剤)

水-食塩系の冷却

食塩水

氷+食塩水 食塩水 + 食塩

海水(濃度3％)を-10℃まで冷却すると…

氷 + 食塩水 (濃度14%)の二相状態

存在比：氷79％、食塩水21％ (天秤の法則)

氷+食塩

水道水（0.003 wt.%の空気が固溶）

氷の初晶(空気少) 共晶組成の液相

水-空気の状態図

<例題> 透明な氷を作るためにはどうすれば良いか検討しましょう。

気泡は共晶組成の液体からのみ生成されるので、その組成に達しない水から氷

を成長させることが有効。例えば、上図のように、成長しつつある氷に絶えず

水道水を流し続け、共晶組成の水にならないようにすます。

<回答例>

基本事項

■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方

1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性

2. 身近な状態図

3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例

全率固溶型の状態図

固溶体α 純物質Cu 純物質Ni

全率固溶体型合金の凝固

Ni Cu

)exp(0 RTHDD ∆

−=

固体では拡散が遅い (凝固偏析)

Dtx ≅

凝固偏析をなくなすためには

⇒ 均質化熱処理

D : 拡散係数 D0 : 定数 ∆H : 活性化エネルギー R : 気体定数 T : 熱処理温度(K) x : 拡散距離 t : 熱処理時間

共晶反応の状態図

α固溶体 β固溶体 α+L

β+L

α+β

α α α

β β

β (Pb) (Sn)

凝固と冷却曲線

x2 x1

x1 x2

共晶点 （L + α + β）

61.9 wt%Sn

（共晶組織）

β(Pb)

α(Sn)+β(Pb)

Al-4wt%Cu

①

②

時効硬化型の状態図

① ②

<例2> Al-Cu合金の時効強化 （第二相の生成）

時効

溶体化 *高温で保持/急冷

*中温で保持

第二相が析出

高強度化

鉄(Fe)-炭素(C)系の状態図

Fe3C

γ Fe (fcc)

δ Fe (bcc)

（セメンタイト）

（オーステナイト）

（δ フェライト）

wt.%

1

0.8C

2 3 4 5 6 6.67 0

2.0C 4.3C

0.025C α Fe (bcc)

（フェライト）

鋳鉄 鋼 鉄

共析鋼

過共析鋼 亜共析鋼

(A1) (A3)

(Acm)

(A4)

焼鈍し材の組織

パーライト

本日の実験内容

消失模型法によるAl-Si合金の鋳造凝固過程の理解

◆ 溶解 (～780 oC)

◆ 合金原料の秤量

① 純 Al、 ② Al- 3.0 mass% Si (亜共晶組成)、

③ Al- 12.6 mass% Si (共晶組成)、④ Al- 20.0 mass% Si (過共晶組成)

◆ 鋳造準備 (鋳型作製、熱電対・砂型の準備)

◆ 冷却曲線の測定

◆ 試験片切取り

◆ 試験研磨 → 硬さ測定、組織観察

… 鋳物作製を通して、金属材料の凝固過程での組織形成について理解する