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材料科学と冶金工学では、 マルテンサイトステンレス鋼 そのユニークな硬化能力にかなりの注目を集めています。その硬化メカニズムを理解することは、材料特性を最適化し、熱処理プロセスを導くために重要です。マルテンサイトステンレス鋼の硬化は、本質的に複雑なプロセスであり、メタステンサブルオーステナイトは、過飽和固形溶液、すなわちマルテンサイトへの急速な冷却（クエンチング）中に拡散のない位相変換を受ける複雑なプロセスです。
オーステナイト：消光前の準備
消光プロセスは加熱から始まります。マルテンサイトステンレス鋼は、通常850°Cから1050°Cの間、十分に高温に加熱され、その内部構造をオーステナイトに完全にまたは大部分変換します。オーステナイトは、顔中心の立方体（FCC）構造を備えた固溶体です。この高温では、合金の炭素とクロム原子がオーステナイト格子に完全に溶解します。オーステナイトは、良好な可塑性を示しますが、比較的低い硬度を示し、その後の消光のために構造を準備します。
クエンチング：重要な位相変換
クエンチングは、硬度を達成するための中心的なステップです。鋼がオーステナイト温度から急速に冷却される場合、炭素原子には結晶格子から拡散するのに十分な時間がありません。温度が急速に低下するため、オーステナイトの顔中心の立方体（FCC）格子は不安定になります。低温条件に適応するには、格子が変換する必要があります。ただし、炭素原子は拡散することができず、新しい格子構造に「閉じ込められています」。この迅速で拡散のない格子再編は、オーステナイトのマルテンサイトへの変換につながります。
マルテンサイトには、体中心の四角（BCT）格子構造があります。オーステナイトのFCC構造と比較して、BCT格子は炭素原子によってC軸に沿って「伸び」され、A軸とB軸に沿って圧縮されます。この格子の歪みは、マルテンサイトの高い硬度の基本的な理由である重要な内部応力を生み出します。微視的レベルでは、無数の閉じ込められた炭素原子が爪のように作用し、格子層間の動きを防ぎ、それにより材料の硬度と強度を大幅に増加させると想像してください。
マルテンサイト変換の特性と影響要因
マルテンサイト変換には、いくつかの顕著な特性があります。
拡散性：これは、マルテンサイト変換と従来の拡散型相変換の最も根本的な違いです。炭素と合金の原子は、ほとんど長距離拡散を起こさず、非常に急速な相変換をもたらし、1秒以内に完全になります。
せん断メカニズム：相変換は、原子層の協調せん断を通して発生します。格子再構成は、ハサミのペアのように機能し、1つの原子層がスライドし、隣接する原子層を引っ張ります。このせん断プロセスは、マルテンサイトに固有のラメラまたはフレーク状の構造を作成します。
時間に依存しない位相変換：マルテンサイト変換温度（MS）とマルテンサイト仕上げ温度（MF）は、位相変換が発生するかどうかを判断する重要な要因です。位相変換はMSポイントのすぐ下で始まり、MFポイントの下に終了します。相変換の程度は、最終冷却温度のみに依存し、その温度での相変換の持続時間とは無関係です。
多くの要因が硬化効果に影響しますが、2つが最も重要です。
炭素含有量：炭素は、マルテンサイトステンレス鋼の最も重要な硬化要素です。炭素含有量が高いほど、消光後に形成されたマルテンサイトの格子歪みが大きくなり、硬度が高くなります。たとえば、440cのステンレス鋼は、炭素含有量が高いため、非常に硬度が非常に高いです。
合金要素：炭素に加えて、クロム、モリブデン、バナジウムなどの合金要素も重要です。それらは、マルテンサイト変換温度（MS）を下げ、硬化性を高めます。硬化性とは、クエンチング中に鋼が表面からコアにマルテンサイトを形成する能力を指します。オーステナイトに溶解することにより、これらの合金要素は、パーライトやベイナイトなどの拡散相の形成を遅らせ、マルテンサイト変換のためにより長い「窓」を提供します。
抑制：硬度と靭性のバランス
消光後のマルテンサイトは非常に困難ですが、重大な内部応力と高い脆性を示し、直接使用することを困難にします。したがって、焼き戻しが必要です。焼き戻しには、クエンチ鋼をMSポイントの下の温度に再加熱し、その温度で一定期間保持することが含まれます。焼き戻しの目的は、内部ストレスを放ち、材料の靭性を改善しながら、硬度を維持することです。焼き戻しプロセス中に、マーテンサイト格子からの炭素原子の沈殿物を沈殿させ、フェライトマトリックス全体に分散した細かい炭化物を形成しました。この降水強化メカニズムにより、材料は靭性を改善しながら高強度を維持できます。異なる温度温度は、異なる微細構造と特性を生成します。たとえば、低温温度（約150-250°C）は主に高硬度を維持しますが、高温の温度（約500〜650°C）は靭性と延性を大幅に改善しますが、硬度を低下させます。
