恒温変態曲線(こうおんへんたいきょくせん)[k46]

【用語の意味】
鋼を焼入れ中に品物を一定温度に保持して時間が経過すると、その温度によってパーライトやその他の組織に変態します。これをいろいろな温度と時間についての変化を表すと、その形がSの形になるものが多いので、S曲線といわれます。TTT曲線、時間・温度変態図とも呼ばれます。

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【関連する用語】
 恒温熱処理  連続冷却変態曲線
【補足説明】
共析鋼のTTT曲線の例

この図は炭素鋼(共析鋼:約0.8%C)の例ですが、ソルトバスなどで適当な温度に保持して、一定時間が経過すると、温度域の違いによって、オーステナイトがその他の組織に変態します。その変態時点の温度と時間をプロットして作られたものです。

たとえば点線のように急冷して550℃で保持すると、1秒以下でパーライト変態が始まり、5~6秒で、すべてがパーライト組織になるということがこの図で示されています。
また同様に、点線に沿って急冷して300℃で保持すると、1分程度で変態が始まり、20分程度でオーステナイトがベイナイトに変態することがこの図に示されています。

変態の完了後は、空冷しても水冷してもその他(例えば、マルテンサイトなど)に変態することがありませんので、この図に書かれた組織や硬さは、常温のものです。

しばしば、熱処理の解説で、このS曲線と冷却過程をあわせたものを説明されることがあります。またこれとは別に、冷却速度の違いによる組織や硬さの状態を表した「連続冷却曲線(CCT曲線)」もあるので混同しやすいし、混同して説明していることも多いのですが、この図はあくまで、焼入れ冷却中にある温度に保持して等温で変態させることで作成されたものであり、品物の温度変化を示したものでないことに注意しておくとよいでしょう。

少し詳しいこの図の見方
図のBs-Bf点線を例にとって見方を説明します。

およそ800℃の焼入れ温度から420℃の熱浴中に試験片を急冷して保持すると、約4秒後にべーナイト変態が起こり、 1分少々でその変態が完了します。
その後いくらその温度に保持しても、組織の状態は変わらない・・・ということが読み取れます。

その状態のものを十分に時間が経過してから常温まで冷却して冷却して硬さを測るとHRC40程度になっており、その組織を観察すると、羽毛状のベイナイトという組織になっているというように読み取ります。

この図では、恒温変態が完了してある時間経過後に常温まで冷却したときの硬さや組織の呼び名が示されています。
通常のS曲線では、Ps、Pf、Ms だけが示されているものが多く、 このようなその他の情報は示されていないのが通例です。

ここで、550℃付近で左にせり出している「S字」の出っ張りを「パーライトノーズ」と言います。 一般的には、「焼入れの際にそれにかかるような冷却をすると、 十分に焼が入らない・・・」という説明をされます。

つまり、この図では、800℃程度から冷却を開始して、1秒以下で550℃以下に冷却しないと、一部がマルテンサイトにならずに、 柔らかい組織が出てくる・・・ということになります。

(注)この図は説明用の図で、適当に作られたものであり、本来の恒温変態曲線とは異なっているのですが、熱処理説明用としては、 このほうがわかりやすいのでこれを引用して説明しました。

焼入れする過程では、時間とともに温度が降下しますので、この恒温変態とは異なるものの、成分が似通ったものでこのような図があれば、パーライトノーズにかかる温度と時間の推定や、 組織検査した結果からの焼入れ過程の冷却状態の温度推移が推定出来るということで、しばしば、この図が熱処理の説明で利用されます。

いろいろな成分の鋼についてのS曲線が公表されていますので、近い成分のものを利用するといいでしょう。   
マルテンサイト変態について

ここで、Msはマルテンサイトが生成し始める温度を、Mfはマルテンサイト変態が完了する温度です。

マルテンサイト変態は、時間変態ではなく、温度変態ですので、上図では、2分程度以内に220℃程度に品物の温度が低下しておれば、それ以下に温度が低下すると、 (時間が関係なく)ゆっくり温度を下げても十分硬化するということもこの図からわかります。

本来は、この恒温変態図は温度を一定に保持したときの変態を示すものですので、Ms点以下の扱いは異なっています。
そのことを頭の隅にとどめておいてこの図を見るようにしてください。

このMs点は、熱処理操作的は重要で、たとえば、焼割れや変形をコントロールするために役に立ちます。

マルクエンチ(Ms点の直上付近の温度で品物を保持してから冷やす恒温熱処理の一種)の温度なども、それが基準になります。



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