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マテリアル工学実験 I
<金属材料 : 合金設計と組織観察(2)>
東北大学 金属材料研究所 関西センタ- (大阪府立大学 客員研究員)
千 星 聡
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基本事項
■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方
1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性
2. 身近な状態図
3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例
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金属材料の組織と特性
【材料組織】 【材料特性】
単相材
結晶構造 (原子の配列)
欠陥 (空孔, 転位, 積層欠陥)
結晶サイズ, 方位, 配向性
多相材
第二相の存在、組成
分布状態 (体積分率, サイズ, …)
力学的特性
電気的特性
熱的特性
磁気的特性
光学的特性
劣化特性 (化学反応性)
* 大阪府立大学マテリアル工学分野社会基盤GHPより
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組織制御法 ① (熱間鍛造)
【組織制御】← 材料本来の特性を引き出す
連続鋳造 (凝固)
<例1> 鋼板の熱間圧延(単相での組織変化)
熱間圧延 (動的再結晶)
冷間圧延 (加工硬化)
ひずみ蓄積
回復
再結晶開始
等軸粒組織
*組織は変わるが相は同じ
鋳塊
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組織制御法② (時効処理)
<例2> Al-Cu合金の時効強化
(第二相の生成)
時効
溶体化
Al-Cu 合金(Cu : ~4 wt.%)
*高温で保持/急冷
*中温で保持
第二相が析出
高強度化 200 nm
* 今野豊彦: 「物質からの回折と結像」(共立出版)
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状態図の必要性
① 構成元素(組成), ② 加工、熱処理
「状態図」:組成や温度による物質の状態を表す図
・組織の主要な要素である「安定相」が「組成」,「温度」に
依存してどのように現れるかがわかる。
・合金組成や熱処理条件の選定に有効な知見を与える。
【組織制御】← 材料本来の特性を引き出す
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用語の確認
◎ _(phase)とは? … 濃度も結晶構造も場所によらず一様な領域
(局所的な組成偏析、結晶構造は考えない)
固相、 液相、 気相
純金属 (Pure metal)
________ (Intermediate phase)
__(Alloy)
___ (Solid solution)
→ 置換型固溶体 (Substitutional …)
→ 侵入型固溶体 (Interstitial …)
金属間化合物
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用語の確認
◎ 相(phase)とは? … 濃度も結晶構造も場所によらず一様な領域
(局所的な組成偏析、結晶構造は考えない)
固相、 液相、 気相
純金属 (Pure metal)
(金属間)化合物 (Intermediate phase)
合金(Alloy)
固溶体 (Solid solution)
→ 置換型固溶体 (Substitutional …)
→ 侵入型固溶体 (Interstitial …)
金属間化合物
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基本事項
■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方
1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性
2. 身近な状態図
3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例
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◇ 三相共存 :自由度 F = 0 → ただ1点
◇ 二相共存 :自由度 F = 1 → 圧力に対して、温度が変化 (圧力が決まれば、温度が決まる)
◇ 一相状態 :自由度 F = 2 → 圧力、温度が任意
一元系の相律 (phase rule)
温度:0.01 ℃(273.16 K)、 圧力: 611.73 Pa(0.006気圧)
水(一元系)の状態図
* 山でカップ麺
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二元系の状態図(水-食塩)
(a)単相 (p = 1):自由度f = 2
…種々の温度T, 組成xの塩水が存在。
(b)二相 (p = 2):自由度f = 1
…温度Tを選ぶと二相の組成が決定。
(c)三相 (p = 3):自由度f = 0
…温度-21.3℃で三相(氷,食塩,
塩水(23.3%))に分かれる。
(*)四相平衡は起こりえない。
(* 圧力を変数とした時は可能。)
二元系の相律
• 沸点上昇 (枝豆) • 融点降下 (融雪剤)
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水-食塩系の冷却
食塩水
氷+食塩水 食塩水 + 食塩
海水(濃度3%)を-10℃まで冷却すると…
氷 + 食塩水 (濃度14%)の二相状態
存在比:氷79%、食塩水21% (天秤の法則)
氷+食塩
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水道水(0.003 wt.%の空気が固溶)
氷の初晶(空気少) 共晶組成の液相
水-空気の状態図
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<例題> 透明な氷を作るためにはどうすれば良いか検討しましょう。
気泡は共晶組成の液体からのみ生成されるので、その組成に達しない水から氷
を成長させることが有効。例えば、上図のように、成長しつつある氷に絶えず
水道水を流し続け、共晶組成の水にならないようにすます。
<回答例>
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基本事項
■ アルミニウムとその合金 → Al-Si系合金 ■ 材料加工プロセス → 消失模型鋳造法 ■ 状態図の見方・考え方
1. 金属材料の組織と特性と状態図の必要性
2. 身近な状態図
3. 二元系合金状態図の見方、考え方、活用例
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全率固溶型の状態図
固溶体α 純物質Cu 純物質Ni
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全率固溶体型合金の凝固
Ni Cu
)exp(0 RTHDD ∆
−=
固体では拡散が遅い (凝固偏析)
Dtx ≅
凝固偏析をなくなすためには
⇒ 均質化熱処理
D : 拡散係数 D0 : 定数 ∆H : 活性化エネルギー R : 気体定数 T : 熱処理温度(K) x : 拡散距離 t : 熱処理時間
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共晶反応の状態図
α固溶体 β固溶体 α+L
β+L
α+β
α α α
β β
β (Pb) (Sn)
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凝固と冷却曲線
x2 x1
x1 x2
共晶点 (L + α + β)
61.9 wt%Sn
(共晶組織)
β(Pb)
α(Sn)+β(Pb)
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Al-4wt%Cu
①
②
時効硬化型の状態図
① ②
<例2> Al-Cu合金の時効強化 (第二相の生成)
時効
溶体化 *高温で保持/急冷
*中温で保持
第二相が析出
高強度化
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鉄(Fe)-炭素(C)系の状態図
Fe3C
γ Fe (fcc)
δ Fe (bcc)
(セメンタイト)
(オーステナイト)
(δ フェライト)
wt.%
1
0.8C
2 3 4 5 6 6.67 0
2.0C 4.3C
0.025C α Fe (bcc)
(フェライト)
鋳鉄 鋼 鉄
共析鋼
過共析鋼 亜共析鋼
(A1) (A3)
(Acm)
(A4)
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焼鈍し材の組織
パーライト
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本日の実験内容
消失模型法によるAl-Si合金の鋳造凝固過程の理解
◆ 溶解 (~780 oC)
◆ 合金原料の秤量
① 純 Al、 ② Al- 3.0 mass% Si (亜共晶組成)、
③ Al- 12.6 mass% Si (共晶組成)、④ Al- 20.0 mass% Si (過共晶組成)
◆ 鋳造準備 (鋳型作製、熱電対・砂型の準備)
◆ 冷却曲線の測定
◆ 試験片切取り
◆ 試験研磨 → 硬さ測定、組織観察
… 鋳物作製を通して、金属材料の凝固過程での組織形成について理解する