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【目的】

　炭素鋼はゆっくりした冷却速度であれば，平衡状態図に沿った組織が現れるが，実際の熱処理では種々の冷却速度で冷却されるので，相変態挙動や変態組織に及ぼす冷却速度の影響を知る必要がある．

　本実験では，様々な冷却速度と組織の変化や硬さの関係について明らかにする．

【原理】

　鋼の熱処理である焼入れ，焼なまし，焼ならしはFe-C系二元状態図のA₃，A_cm線より高い温度域に加熱してオーステナイト単相にした後，種々の冷却速度で冷却して目的とする組織にすることである．

　焼入れはオーステナイト域から鋼を急速に冷却することであるが，この時の冷却速度は100K/s程度になり組織はマルテンサイトとなるので，非常に硬い組織となる．

　焼きなまし（焼鈍）は，炉冷などゆっくりした冷却速度（0.1Ｋ/s）で除冷することで，内部応力の除去や，加工を容易にするために行われる．組織は，亜共析鋼であれば，初析フェライト+層状パーライトとなる．また，熱処理方法を変化させれば，板状セメンタイトを球状にすることもできる．

　焼ならし（焼準）は，空冷（10Ｋ/s）などマルテンサイト変態しない程度の速度で冷却することで，凝固後や焼きなましで粗大化した組織を細かくする熱処理である．この場合も亜共析鋼であれば，初析フェライト+層状パーライトとなる．組織の粗さは，オーステナイト加熱温度と加熱時間により制御し，層状パーライトの層間隔は，冷却速度が大きくなると細かくなる．

　オーステナイトからの変態に及ぼす冷却速度の影響を温度と時間の関係を図示したものを連続冷却変態線図(Continuous Cooling Transformation Diagram)と呼び，CCT曲線ともいう．Fig. 1にCCT曲線の模式図を示すが，オーステナイトを各冷却速度で冷却した場合に現れる組織の種類が明確になる．この図は鋼をオーステナイト域から冷却すると，変態により膨張または収縮が起こるので，その変化を記録することで変態の開始や終了温度が明らかになる．したがって，各冷却速度におけるこの変態温度を繋げば作図できる．ここで，P_Sはパーライト変態開始温度，P_fはパーライト変態終了温度，M_Sはマルテンサイト変態開始温度，M_fはマルテンサイト変態終了温度を示している．冷却速度が遅い場合は，パーライト変態のためのFe及びCの拡散できる時間が十分あるため，標準的な組織となる．冷却速度が大きくなると，過冷が生じてパーライト変態温度は下がっていき，さらに大きくなると，拡散による原子の移動が困難となるため無拡散変態のマルテンサイトが生ずることとなる．例えば，(4)より速い冷却速度であればマルテンサイト変態のみで組織はマルテンサイトのみとなる．この時の冷却速度を上部臨界冷却速度と呼ぶ．一方，(2)の冷却速度より遅くなった場合はすべてパーライト変態となり，これを下部臨界冷却速度と呼ぶ．Fig. 2は、亜共析鋼のCTT曲線の一例を示す．亜共析鋼なので，冷却速度が小さい場合は上部にフェライト変態域がある．また，Z_Wはベイナイト変態を示している．このCCT曲線より，各冷却速度で冷却した場合の各相の相比，硬さが一目で分かるようになっている．

　このように冷却速度を変化させることで鋼は組織を制御できることが分かる．

【実験試料】

S45C

【実験方法】

1. 試料は，実験炉に挿入してオーステナイト温度域に加熱してあるので，それぞれ水冷の焼入れ，炉から出して空冷，炉冷の試料を作製する．

2. 各試料は，研磨後，ブリネル硬さ試験機で硬度を測定する．

3. 試料をナイタルで腐食した後，顕微鏡で組織観察を行う．

4. グラフ等を作成する．

【検討課題】

1. 実験結果の考察

2. 各冷却速度における変態過程について考察せよ．また，本実験結果とFig.2に示したCCT曲線と比較せよ．

3. マルテンサイト及びパーライトの生成過程について調査せよ．

4. 上記した以外の鋼に行われる熱処理方法について調査せよ．

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