マルテンサイト変態に起因した静水圧応力による

未変態オーステナイトの自己安定化

東京工業大学 物質理工学院 材料系

中田伸生

九州大学 大学院工学研究院

石橋祐二(現：山陽特殊製鋼)，土山聡宏，高木節雄

第12回SPring-8金属材料評価研究会／第11回SPring-8先端利用技術ワークショップH27/3/3 @研究社英語センタービル

Self-stabilization of untransformed austenite byhydrostatic pressure via martensitic transformation

Acta Mater., 110(2016), 95-102.

転載不可

研究背景～金属の相変態における弾性ひずみの粗忽な取扱い～ 2/22

例えば，「古典的核生成」では．．．

r

G

Δg*

r*

σπ∆∆π∆ ⋅++= 23 4)(3

4rGGrg SV

SV GGr

∆∆σ+

−= 2*

:

:

:

:

σ∆∆

S

V

G

G

r 核の半径

相変態に伴う化学的自由エネルギー変化

相変態に伴う弾性ひずみエネルギー変化

β母相/α相の界面エネルギー

β相

α相(半径r)

“弾性ひずみは無視，もしくは平均的な絶対値のみが議論”

本当にそれで良いのか？

� 侵入型元素の分配 × 純鉄でも100ºC以上の温度差

� 核生成能の違い(粒界) △ M/A異相界面に個性があるか？� 結晶粒の動的微細化 ○ 形態による差があるか？� 静水圧応力 ？

Tran

sfor

mat

ion

tem

pera

ture

(℃

)

Carbon content (%)

0 0.5 1.0 1.5 2.0-200

-100

0

100

200

300

400

Fe-C system500

600

2.5

Ms

Mf

研究背景～なぜ、鉄合金ではMs-Mfが大きいのか？～

Region A

Region B

＞Ms

安定性

3/22

研究目的

Fe-Niオーステナイト合金を用いて、

1. マルテンサイト変態に伴って発生すると考えられる静水圧応力を実測し、その性質(量や分布など)を巨視的・微視的に評価する。

2. マルテンサイト変態により発生する静水圧応力が残留オーステナイトの安定性に及ぼす影響を調査する。

5/22

-115ºC

溶体化処理1000ºC-30min

-130ºC-196ºC

サブゼロ処理30min

W.C.

C Si Mn P S Ni Ti Fe Ms

0.003 0.036 0.836 0.002 0.003 26.75 0.15 bal. -68ºC

� 組織観察光学顕微鏡、SEM、EBSD

� マルテンサイト体積率測定XRD

� 格子定数測定(静水圧応力)XRD

� 静水圧応力分布測定EBSD/Wilkinson法

実験方法 6/22

100μm 50μm50μm50μm

Solution treated -115ºC subzero -130ºC subzero -196ºC subzero

サブゼロ処理による組織変化

オーステナイト単一

Ni偏析なし

(マルテンサイト+残留オーステナイト)二相

主にレンズマルテンサイトが均一に生成

7/22

806040200 100

0.35835

0.35830

0.35825

0.35820

0.35840

0.35815Latti

ce p

aram

eter

of a

uste

nite

, aγ

/ nm

Martensite fraction, Vα’ / vol.%

マルテンサイト変態による格子定数変化

マルテンサイト体積率>60%

残留オーステナイトの格子定数が急激に減少(マルテンサイトに囲まれることが重要)

10/22

Lattice parameter of

austeniteaγ (nm)

Volumeof unit lattice

Vγ (×10-2 nm3)

Reduction ratein volume of unit

lattice∆Vγ /Vγ (%)

HydrostaticpressureσH (MPa)

Solution treated material 0.35838 4.6029 0 -

-115ºC S.Z. treated material 0.35834 4.6015 0.031 31.3

-130ºC S.Z. treated material 0.35828 4.5989 0.088 89.7

-196ºC S.Z. treated material 0.35821 4.5964 0.142 142

静水圧応力 σH=K( ΔVγ / Vγ) [Pa]

σH: 静水圧応力 (Pa)

K: 体積弾性率 (Pa)

ΔVγ / Vγ: 体積収縮率 (-) 日本機械学会: 金属材料の弾性係数, (1980), pp.52-64.

Fe-30%Ni合金のK(室温) →102GPa (Eとνから算出)

マルテンサイト変態により発生する静水圧応力

低温においても大差ないと思われる※剛性率↑、熱膨張によるミスフィット↓

11/22

806040200 100

Martensite fraction, Vα’ / vol.%

0

-5

-10

-15

-20

-25

Cal

cula

ted

Ms

tem

pera

ture

red

uctio

n, ∆

Ms

/ K0

300

50

100

150

200

250

Hyd

rost

atic

pre

ssur

e, σ

H/ M

Pa

マルテンサイト変態により発生する静水圧応力

静水圧応力の発生により残留オーステナイトのMsは-10ºC程度変化すると試算(最大でも-30ºC程度)

12/22

静水圧応力の緩和実験

-115ºC

溶体化処理1000ºC-30min

-130ºC-196ºC

サブゼロ処理30min

W.C.

-115ºC

-196ºC

焼戻し処理250ºC-60min

W.C.

※As点: 300ºC

13/22

静水圧応力の残留オーステナイト安定化検証実験

1. 250ºC低温焼戻しにより静水圧応力の緩和

2. 再度、サブゼロ処理によりマルテンサイト変態が進行(静水圧応力再発)

静水圧応力により残留オーステナイト安定化

0.35835

0.35830

0.35825

0.35820

0.35840

0.35815

Latti

ce p

aram

eter

of a

uste

nite

, aγ

/ nm

1st subzerotreatment tempering

2nd subzerotreatment

solution treated

-115ºC subzero-treated

-196ºC subzero-treated

93%

83%

78%

93%Vα’=78%

93%

14/22

50μm

001 101

111

Solution treated -115ºC subzero 250ºC tempering

静水圧応力の分布調査 EBSD/Wilkinson法

同一視野におけるEBSD/Wilkinson法の実施

16/22

e11

e22e33

e11 e22

20μm

001 101

111

-115ºCサブゼロ材の弾性ひずみマップ

Elastic strain, e / %-1.0 1.00.50-0.5

Ave. -1.16×10-3 -2.91×10-3

� 残留オーステナイトの粒径が小さいほど、大きな弾性ひずみ� 個々の粒内における弾性ひずみは比較的均一に分布する傾向� EBSD/Wilkinson法では弾性ひずみを過大評価する -348MPa > -31MPa(XRD)

18/22

0.003

0.002

0.001

0

-0.001

-0.002

-0.003

Ela

stic

str

ain,

e11

/ −

0 2 4 6 8 10 12

0.03

0.02

0.01

0

0.04

0.05

Distance from the interface, d / µm

Cry

stal

rot

atio

n, w

12/ r

ad.

Mar

tens

iteM

arte

nsite

solution treated

-115ºC subzero-treated

250ºC tempered

熱処理に伴う弾性ひずみプロファイル変化

M

A

A

19/22

Distance from the interface, d /µm

100

250

0 205 10 15

200

150

Vic

kers

har

dnes

s, H

/Hv

midrib

twindislocation

solution treated

-115ºC subzero-treated

250ºC tempered

Martensite Austenite

熱処理に伴う弾性ひずみプロファイル変化 硬さ変化

elastic regionelastic

+plastic

硬度低下←静水圧応力の緩和→オーステナイト安定性初期化

20/22

Tran

sfor

mat

ion

tem

pera

ture

(℃

)

Carbon content (%)0 0.5 1.0 1.5 2.0

-200

-100

0

100

200

300

400

Fe-C system500

600

2.5

Ms

Mf

私見～なぜMs-Mf間の温度差が大きいのか？～

� 侵入型元素の分配 × 純鉄でも100ºC以上の温度差� 核生成能の違い(粒界) △ M/A異相界面に個性があるか？� 結晶粒の動的微細化 ○ 形態による差があるか？� A母相への転位導入 ○ マルテンサイトの核生成に大きく影響？

� 静水圧応力 △ 最大でも20ºC程度(C濃度に大きく依存)

21/22

Fe-27%Niオーステナイト合金を用いて、マルテンサイト変態に伴って発生する静水圧応力を調査した結果、以下の知見を得た。

1. 微視的な観点では、静水圧応力はマルテンサイトに囲まれた残留オーステナイト粒内に比較的均一に分布しており、オーステナイトの微細化に伴い増加する。これに対応して、巨視的には、マルテンサイトが母相となり、その体積率が増加することで静水圧応力は増加する。さらに、この静水圧応力は焼戻し処理により容易に緩和される。

2. 静水圧応力だけでなく、格子不変変形に起因して、マルテンサイト界面近傍の残留オーステナイトに高密度の転位が導入される。そして、この転位は、静水圧応力とは対照的に焼戻し処理により消滅し難い。

3. マルテンサイト変態により発生する静水圧応力は残留オーステナイトを動的に安定化する。しかしながら、その安定化効果は最大でも-30ºC程度と見積もられ、一般的なMs-Mfよりも小さい。つまり、静水圧応力以外にも残留オーステナイトを動的に安定化する因子があると考えられる(動的結晶粒微細化効果、未変態オーステナイトの加工硬化など)。

X線回折により測定される未変態オーステナイトの格子定数から固溶合金元素量(とくに炭素、窒素)を見積もるべきではない！

まとめ 22/22