固溶体 (こようたい)    [k59]

【用語の意味】

2種以上の元素による固体の結晶質を固溶体といいます。
鋼の場合で言えば、固体の状態で、Fe(鉄)に炭素やその他の元素が素地(マトリックス:matrix)に溶け込んでいるものと言えます。

元素の構成によって、置換型固溶体と侵入型固溶体があり、通常の焼入れ焼戻しなどの熱処理は固体の状態のままで、熱の操作をして結晶の構造や配列を変化させています。

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【関連する用語】
 結晶構造
【補足説明】
固溶体のイメージ   

2元素が固溶する場合、左図のような2種類の固溶体が考えられられます。左が置換型、右が侵入型です。

通常の鋼は多種の元素を含むために、このような単純なものではないので、この図はあくまでイメージと考えておいてください。

また、鋼の熱処理においても、結晶構造が体心立方・面心立方・体心正方などと変化しますし、さらに各元素が入り組んでいるし、各所でそれらの様子が変わっていますので、これらが鋼の機械的性質を複雑に変化させていると言えるでしょう。

合金元素の多い高炭素の鋼を高温の「融体(液体)」状態から温度を下げた場合、まず、炭化物が析出します。
それが固溶体の中に混在して、残りの組成が固溶体となります。

このような炭化物は、焼入れ温度に加熱しても(オーステナイト中に)溶け込みませんので、この熱処理温度で素地中に溶け込まない炭化物を「共晶炭化物」といいます。 共晶炭化物とは異なり、500℃以上の温度で焼戻しした際に、 炭化物が析出して硬さが上昇するものもありますが、その際に生じる炭化物は「共析炭化物」と呼ばれます。すなわち、焼入れ温度では、固溶体として(オーステナイト中に)その成分が溶け込んでいるということです。

鋼の温度を変態点以上にあげて、面心立方晶に変態した状態(焼入れ温度になっている状態)を「オーステナイト」と 呼びますが、この状態では、高温で鋼は柔らかくなっていますが、固体の状態です。
そして、高温の固体の状態から、 それが冷却される過程で、固体内で組織や結晶構造などが固体の状態で変化(変態)していきます。

オーステナイトの状態にある高温の鋼(この場合は、簡単なように、たとえば、S45Cなどの低合金のφ10程度の鋼を考えるといいのですが)を、 水冷などで非常に早く冷却をすると、 「マルテンサイト」という組織が出現して硬化しますが、その冷却の速さを変えて、少し遅い冷却(例えば、油冷や空冷)をすると、フェライト、マルテンサイトなどの単相と、それ以外の、トルースタイト、 ソルバイト、 パーライトなどと呼ばれる層状になった混合組織になります。

・・・このような、熱処理として説明される状態の変化は、すべて、固体内における固溶体の変化です。


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