３回生「材料組織学１」 緒言

2013 年度 担当：辻

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第１章 緒言 金属（metals）・合金（alloys）は、我々の身の回りをはじめ、社会の様々な場面で多用されている。金属材料の特徴の一つに、その多様性がある。そもそも周期表中の元素の 5 分の4が、金属元素である（図１.１）。これらはそれぞれ特徴的な物性・特性を有している。さらに合金を考えると、そのバリエーションは無限である。一方、同一の金属元素、あるいは同

一化学組成を有する合金であっても、種々の多様な特性が発現する。それは、金属・合金に

は内部組織（microstructure）があり、それが材料の特性を大きく左右するためである。

図 1.1 周期表中の金属元素（黄色と緑色）

金属は自由電子を介した金属結合により特徴づけられ、固体金属は、自由電子の海の中に、

金属陽イオンが３次元的に規則正しく配列している。しかし、実在の金属結晶は完全結晶

（perfect crystal）ではなく、種々の格子欠陥（lattice defect）を内包している。格子欠陥には０次元の点欠陥から、１次元の線欠陥、２次元の面欠陥、３次元の体積欠陥まで種々の種

類がある（表１.１）。これらの格子欠陥が集合・配列して、金属材料の内部組織を形成している（図１.２）。同一組成の金属・合金であっても様々な特性を示すのは、この内部組織（材料組織（microstructure））が異なるためである。従って、材料組織と物性・特性の間の関係性を理解するとともに、材料組織の形成機構・過程を知ることは、金属材料学における一大

重要課題である。

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表 1.1 種々の格子欠陥

点欠陥（０次元） 原子空孔、格子間原子、不純物原子（侵入型固溶原子、置換型固溶原子）

線欠陥（１次元） 転位、点欠陥の一次元配列

面欠陥（２次元） 結晶粒界、双晶境界、積層欠陥、逆位相境界、異相界面、表面

体積欠陥（３次元） 析出物、第二相、ボイド、クラック

図 1.2 種々の格子欠陥と材料組織

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金属は一般に、種々の化学反応（主に還元反応）を利用して鉱物（金属の酸化物、硫化物

など）から精錬され、化学組成（chemical composition）を調整される。実際に用いることのできる形状・形態の金属材料を製造する手法には様々なものがあるが、大型バルク金属を

得るためには、ほとんどの場合、液体金属を鋳造（casting）し、それを塑性加工（metal working）する手法が用いられる。典型的な例として、鉄鋼材料の製造工程を図１.３に示す。 これらの工程の目的は、第一義的には製品としての形を作ることにある。しかし各工程で、

凝固（solidification）、塑性変形（plastic deformation）、回復・再結晶・粒成長（recovery, recrystallization and grain growth）、相変態（phase transformation）、析出（precipitation）などの冶金学的現象が生じ、それに伴って各段階で特徴的な材料組織が形成される。逆に言

えば、これらの熱加工プロセス（thermomechanical process）を積極的に用いることにより、材料組織、ひいては材料の特性を制御することができる。これが、組織制御の意義であり、

考え方である。

図 1.3 種々の鉄鋼材料の製造工程 熱加工プロセスにより材料組織を制御するためには、それぞれの過程でどのような組織変

化が生じるかということを理解し、予測しなければならない。その際重要となるのが、対象

とする金属・合金の平衡状態図（equilibrium phase diagram）である。図１.４、図１.５に示すように、例えば鋼（Fe-C合金）とアルミニウム合金（Al-Cu合金）では、状態図の様相が大きく異なる。先述のように、金属元素は多種多様であり、その組み合わせである合金

（alloy）は、無数の種類を有する。合金系ごとに、与えられた組成、温度、圧力の下での安定状態（安定相）を示してくれるのが平衡状態図であり、状態図は材料組織を読み解く地図

である。ただし、現実の材料は、必ずしも平衡状態図が示す通りの相構成（組織）を持たな

い。これは、状態図が無限の反応時間後の平衡状態を表すものであるのに対し、現実のプロ

セス（特に温度の上げ下げ）が有限の時間内で行なわれるためであり、材料はしばしば、非

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平衡組織を示す。これらも含めて理解するためには、平衡状態図（熱力学論

（thermodynamics））だけではなく、材料組織形成の速度論（kinetics）も理解する必要がある。

図 1.4 Fe-C系平衡状態図（実線：Fe-Fe3C系、破線：Fe-黒鉛系）[1]

図 1.5 Al-Cu系平衡状態図[2]

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本講では、状態図を構築する上での基礎となる合金の熱力学と、二元系状態図の基礎、三

元系状態図、そして相変態の基礎を取り扱う。

引用文献 [1] 鉄鋼材料 講座・現代の金属学 材料編４、日本金属学会 (1985) [2] アルミニウムの組織と性質、軽金属学会 (1991)