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目的鉄鋼材料における基本的事項を理解するとともに，各種鉄鋼材
料の特徴を把握する．
6.1 鉄鋼材料の組織と6.1.1 平衡状態図と相
熱処理6.1.2 微視組織
6.1.3 回復と再結晶
6.1.4 マルテンサイト変態
6.1.5 残留応力
6.1.6 焼戻し
6.1.7 焼なまし・焼ならし
6.2 鉄鋼材料の種別6.2.1 一般構造用鋼・高張力鋼
6.2.2 機械構造用合金鋼
6.2.3 工具鋼・軸受鋼・ばね鋼
6.2.4 ステンレス鋼
6.2.5 耐熱鋼
6.2.6 鋳鉄
演習問題
6.1 鉄鋼材料の組織と熱処理
図6.1 Fe-C系平衡状態図
6.1.1 平衡状態図と相
炭素鋼（Fe-C系合金）について
は，既に膨大な知識の集約が
なされている．
図6.1に平衡状態図を示す．こ
の図中に記述されている各相
を表6.1に詳細に示す．
鉄鋼材料には6.2節で説明する
ように多種多様な合金が存在
するが，一般に多用される鉄鋼
材料の多くは，0.77 wt%C未満
の炭素鋼が基本となる．
γ域からの急冷時に無拡散変態により形成される準
安定相．
マルテンサイトα’ bct
セメンタイトFe3C － FeとCの化合物．Cを6.7 wt%含む．硬くて脆い．
パーライトα+Fe3C － α相とFe3Cが積層された共析複合組織．
Cをランダムに固溶した侵入型固溶体．1490 ℃で最
大固溶限0.08 wt%．純鉄では1391～1536 ℃で安定．
δ-Fe δ bcc
Cをランダムに固溶した侵入型固溶体．1147 ℃で最
大固溶限2.14 wt%．純鉄では912～1391 ℃で安定．
オーステナイトγ fcc
Cをランダムに固溶した侵入型固溶体．727 ℃で最大
固溶限0.022 wt%．純鉄では912℃以下で安定．
フェライトα bcc
液相L － Fe中にCが溶解した液相．
相の名称記号等結晶構造性質・状態等
表6.1 Fe-C系の相
図6.2 パーライト組織
6.1.2 微視組織
図6.3 Fe-C系平衡状態図（重要部分）
図6.3は，図6.1の
重要部分を拡大
したものである．
亜共析鋼
0.77 wt%C未満
共析鋼
0.77 wt%C
過共析鋼
0.77 wt%C超
炭素含有量の増
加にともない組織
形態が変化する．
図6.4 Fe-C系の微視組織：（a）0.17wt%C，（b）0.30
wt%C，（c）0.77 wt%C，（d）1.1 wt%C
亜共析鋼
フェライトとパーライト
の2相組織であり，炭素
含有量の増加とともに
パーライトの量が増え
る（図6.4（a），（b））．
共析鋼
全てパーライトと呼ば
れる共析複合組織であ
る（図6.4（c））．
過共析鋼
パーライトとセメンタイ
トの2相組織であり，炭
素含有量の増加と共に
セメンタイトの量が増え
る（図6.4（d））．
図6.5 徐冷時の微視組織変化：（a）純鉄，（b）亜共析鋼，（c）共析鋼
(a)
(b) (c)
純鉄～共析鋼における変態の詳細
純鉄（図6.5（a））：912 ℃で高温で安
定なオーステナイトからフェライトへ変
態する．
共析鋼（図6.5（c））：727 ℃でオーステ
ナイトがパーライトへ変態する．
亜共析鋼（図6.5（b））：両者の変態が
生じる．
6.1.3 回復と再結晶
図6.6 回復・再結晶時の諸性質の変化
図6.7 回復前後の転位配列
金属に冷間加工を加えると，転位
などの多数の格子欠陥が導入さ
れる．
回復（recovery）
0.4TM（TM 融点）未満の温度域で
加熱すると，転位の合体・消滅が
生ずるとともに，転位の再配列が
生じる．
図6.8 再結晶時の組織形態の変化：（a）60 %冷間加工材，（b）550 ℃，1 h，
（c）600 ℃，1 h，（d）700 ℃，1 h
再結晶（recrystallization） 0.4～0.5TMの温度域で加熱すると，転位密度が
高い領域や結晶粒界に新たな核が生成する一方，格子欠陥は消滅していく．
その結果，金属はひずみのない状態になる．図6.8に再結晶時の組織変化を
示す．図中の（a）～（d）は，図6.6中の記号位置に対応している．
低温焼なまし（annealing） 金属を冷間加工すると加工硬化が生じ，さらなる
加工が困難となる．また内部に残留応力（residual stress）が発生し，思わぬ破
壊を引き起こすことがある．これらを防ぐために焼なましを施す．この熱処理は，
再結晶させて転位密度を低下させるためのものである．
6.1.4 マルテンサイト変態
図6.9 純鉄のTTT線図とマルテンサイト変態
純鉄は912 ℃以上の高温でFCC（オーステナイト， γ 相），それより低温側で
BCC（フェライト， α 相）となる．しかしながら，これは平衡状態の場合であり，
高冷却速度となると異なる変態が生ずる．
FCC安定領域から徐冷した場合
TTT線図のノーズ上側を通過し，
低温側で安定なBCC構造へ拡散
変態する．
FCC安定領域から急冷した場合
ノーズ左側を通過し，温度が低下
しても不安定なFCCのままである．
しかしながら，500 ℃未満まで温
度が低下すると，原子は無拡散
でせん断型変態を開始し，350 ℃
で終了する．この変態（マルテン
サイト変態）により，格子欠陥を
多数含むBCC構造（マルテンサイ
ト，α ’相）となる．
図6.10 （a）拡散変態，（b）マルテンサイ
ト変態
炭素含有量（共析鋼）が多くなると，
○ 拡散変態の場合，炭素を拡散
させてパーライトを生成する必
要があるため，ノーズは右（長時
間側）へシフトし，マルテンサイト
変態は容易になる．
○ 炭素含有量の増加にともない，
マルテンサイト変態の開始・終
了温度は低下する．
○ そのため，室温までの冷却では，
マルテンサイト変態は終了せず，
一部オーステナイトが残留する
ことがある．
○ 炭素は拡散せずに，Fe原子の
隙間に入り込む．
図6.11 共析鋼のTTT線図とマルテンサ
イト変態
図6.12 マルテンサイトと炭素位置
マルテンサイト変態の特徴
① 無拡散変態（diffusionless transformation）である．膨張する．
② ラス状あるいは針状の微細組織となる．→組織微細化による強化
③ 炭素が過飽和に固溶される． →固溶強化
④ 転位（格子欠陥）密度が上昇する． →加工硬化
焼入れ（quenching）
鉄鋼材料をマルテンサイト変態させる熱処理
マルテンサイト変態
は，短時間に上記３
つの強化機構が発
現し，著しい強度向
上をもたらす．その
一方，残留応力が発
生したり延性の低下
が生ずるため，通常
焼戻しを行う（6.1.5，
6.1.6節）．
図6.13 マルテンサイトの組織（0.2 wt%C）
6.1.5 残留応力（residual stress）
材料全体を焼入れた時，表面は早く冷却されて
内部より先にマルテンサイト変態を開始する．
表面はマルテンサイト変態にともない膨張する．
そのひずみは内部の塑性変形により吸収される．
表面がマルテンサイトとなった後，遅れて内部が
マルテンサイト変態して膨張する．表面は，この
ひずみを吸収することはできない．
冷却後，表面は内部により引張られ，また内部
は表面の拘束により圧縮される．結果として，表
面に引張りの残留応力が発生する（図6.14）．
このような引張り残留応力は，表面からの破壊
を容易にするため有害である．
図6.14 マルテンサイト
変態時に生ずる残留応
力
6.1.6 焼戻し（tempering）
図6.15 焼戻し時の変化
焼入れ後，
・150～200 ℃（低温焼戻し）
・400～600 ℃（高温焼戻し）
で再加熱する．
焼戻しにより，過飽和に固溶した炭素
が炭化物として微細に析出し，延性が
回復する．低温焼戻しの場合には，析
出強化のため，強度は維持される．
焼戻しの目的
① 硬さを減じ，延性を回復する．
② 組織および機械的性質を安定化さ
せる．
③ 残留応力を軽減する．
焼戻しぜい性
300 ℃付近の温度域で焼戻すと，粒
界に炭化物が析出するために延性
が低下する．そのため，この温度域
は通常使用されない（図6.16）．
2次硬化
後述する機械構造用鋼（6.2.2節）などに
は，多量の合金元素が添加されており，
通常の焼入れではオーステナイトが残
留する．
この場合，550 ℃付近で焼戻しを行う
と，残留オーステナイトがマルテンサイ
ト変態し，硬さの上昇（延性低下）およ
び形状変化を引起こす（図6.17）．
図6.16 焼戻温度とじん性
図6.17 機械構造用鋼における焼
戻温度と硬さの関係
6.1.7 焼ならし・焼なまし
焼ならし（normalizing） オーステナイト域から空冷して，組織微細化・硬化さ
せる熱処理である．TTT線図の上側にぶつかる温度を低下させ，これにより
核生成を容易にし，組織を微細化させる．
焼きなまし(annealing) オーステナイト域から炉冷して，組織粗大化・軟化さ
せる熱処理である．TTT線図の上側にぶ
つかる温度を上昇させ，これにより組織成
長を促進させる．
図6.18 焼ならし・焼なましの説明
図6.19 焼ならし時のパーライト組織の変化
（左：焼ならし前，右：焼ならし後）
6.2 鉄鋼材料の種別
6.2.1 一般構造用鋼・高張力鋼
表6.2 一般構造用鋼・高張力鋼
・C量<0.15>

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