鉄合金マルテンサイト～組織形成機構と力学特性発現機構～
柴.

は じめ田曉

伸に

鉄合金マルテンサイト組織は高強度の源となる組織であり，日本刀に代表されるような刃物，自動車などの輸送機器，更には高層ビルなどの巨大建造物に用いられる等，我々の社会に最も寄与している金属組織であると言っても過言ではない．鉄合金マルテンサイトは古くから使用されてきているがゆえに，過去から現在に至るまで膨大な研究の蓄積がある．しかし残念ながらその組織形成機構や力学特性発現機構の理解は未だ十分であるとは言えない．今後，マルテンサイ
ト組織を利用した新たな材料開発を行う上で，マルテンサイトの組織形成機構や力学特性発現機構を把握しておくことは

図1

不可欠である．本稿では著者が行ってきた鉄合金マルテンサ
イトの組織形成機構および力学特性発現機構に関する研究を紹介する．

.

鉄合金マルテンサイト

鉄合金マルテンサイトの 4 つの形態を表した光
学顕微鏡写真，(a) ラスマルテンサイト，(b) バ
タフライマルテンサイト，(c) レンズマルテンサイト，(d) 薄板状マルテンサイト．

り，多くの実用鋼に用いられている組織である．一方，薄板状マルテンサイトはマルテンサイト/オーステナイト界面が鉄合金マルテンサイトのうち，結晶構造が bcc 構造もし可逆的に移動できるため，形状記憶効果や超弾性効果が発現

くは bct 構造である a ′マルテンサイトは合金の組成や生成する．このように鉄合金マルテンサイトは多様な力学特性を温度によって形態が大きく変化し，図に示すようにラスマ示し，その力学特性はマルテンサイトの形態と密接に関連しルテンサイト，バタフライマルテンサイト，レンズマルテンている．

サイト，薄板状マルテンサイトと様々な形態が存在する．こ

著者は図 1 に示した 4 つの形態のマルテンサイトのうのように様々な形態が存在するのは鉄合金マルテンサイトのち，レンズマルテンサイト(図 1( c ))を用いてマルテンサイみで報告されている特徴である．これらのマルテンサイトはト組織の形成機構を内部微視組織や異相界面構造の観点から形態が異なるだけでなく，内部微視組織や結晶学的特徴もそ調べ，ラスマルテンサイト(図 1( a))を用いてマルテンサイ

れぞれ異なっている(1) ．図 1 に示す 4 つのマルテンサイト

トの力学特性発現機構を粒界強度の観点から調べた．のうち，ラスマルテンサイトは高強度鋼に現れる組織であ京都大学助教工学研究科材料工学専攻(〒6068501 京都市左京区吉田本町)
Martensite in Ironbased Alloy ～the Formation Mechanism of Microstructure and the Origin of Mechanical Property～; Akinobu Shibata(Department of Materials Science and Engineering, Kyoto University, Kyoto)
Keywords: steel, martensitic transformation, microstructure, interphase boundary, micromechanical characterization, mechanical property
2011年 2 月28日受理

新 進 気 鋭図2

レンズマルテンサイトの(a) 光学顕微鏡写真，(b)(f) 内部微視組織を表した TEM 像(3) ((b) ミドリブ，(c)双晶領域，(d) 非双晶領域 (双晶領域近傍)，(e) 非双晶領域 (界面近傍)，(f) 周囲のオーステナイト)．

リブは高密度の双晶で構成されており，双晶領域にはミドリ.

鉄合金マルテンサイトの内部微視組織

ブから部分的に成長した双晶と 1 種類のらせん転位が存在していることがわかる．また非双晶領域は転位のみで構成さ通常，マルテンサイトは格子不変変形に由来した転位や双れているが，図 2(d)と(e)に示すように，マルテンサイトプ晶などの格子欠陥，つまり内部微視組織を有している．このレートの内側では複数種類のらせん転位のみが観察されるの

内部微視組織は図 1 に示した 4 つのマルテンサイトでそれに対し，界面近傍では湾曲し，複雑に絡み合った転位が観察ぞれ異なっており，特に図 1( c )に示したレンズマルテンサ

され，非双晶領域内でも場所によって転位組織が異なっていイトの内部微視組織は他のマルテンサイトに比べて非常に複る．

雑である．この複雑な内部微視組織の成因を解明するため

このように成長に伴って内部微視組織が双晶から転位へとに，レンズマルテンサイトの内部微視組織を詳細に観察した．

変化するのは，マルテンサイト変態に伴う潜熱によってマル

図(a)は Fe33Ni 合金におけるレンズマルテンサイトのテンサイトプレート内部の局所温度が上昇したために，格子光学顕微鏡写真であり，界面が滑らかに湾曲している．レン不変変形の様式が成長途中に双晶変形からすべり変形に変化

ズマルテンサイトはプレート中央部のミドリブ(強く腐食さしたことに起因していると著者は考えている(2) ．また図 2れた線状の組織)，その周囲の双晶領域(周囲に比べてコント(e)に示したように界面近傍にのみ湾曲し絡み合った転位組

ラストが暗い組織)，界面付近の非双晶領域の異なる 3 つの織が観察されるが，これは界面近傍のオーステナイト中に導領域から構成されていることがわかる．

入された転位(図 2 ( f ))がマルテンサイト内に受け継がれた

図 2(b)(f)は Fe33Ni 合金におけるレンズマルテンサイためであると考えられる．レンズマルテンサイトプレートのトの成長に伴う内部微視組織変化を示した TEM 像である．

場所ごとの転位密度を測定した結果(3)，界面近傍の非双晶領

図 2( a )の光学顕微鏡写真にそれぞれの観察領域を模式的に域(図 2( e))の転位密度は双晶領域近傍の非双晶領域の転位示してあり，図 2 ( b )( f )はそれぞれミドリブ，双晶領域，密度(図 2(d))と周囲のオーステナイト(図 2(f))の転位密度非双晶領域(双晶領域近傍および界面近傍)，界面付近のオーの和とほぼ等しい値になっていたことも，オーステナイト中ステナイトの内部微視組織である．図 2(b), (c)より，ミドの転位が界面近傍でマルテンサイトに受け継がれているとい

ま て り あ 第50巻 第 6 号(2011)Materia Japanう事実を裏付けている．
図 2 で示したようにレンズマルテンサイトの内部微視組織は成長に伴って大きく変化し，一つのマルテンサイト内部で均一ではない．そのためオーステナイトとの結晶方位関係などの結晶学的特徴も一つのマルテンサイト内部で均一ではないと考えられる．そこでレンズマルテンサイト内部の精密な結晶方位解析のために電子線後方散乱回折(EBSD)を適用し，一つのマルテンサイトプレート内部の局所結晶方位を調べた．その結果，ミドリブ近傍の領域はオーステナイトとGreningerTroiano(GT)関係を満たしているが，界面に向かうにつれて結晶方位関係が Kurdjumov Sachs ( K S )関係に変化するということが明らかとなった(4)．これまで結晶方位関係に関して多くの研究があるが，一つのマルテンサイト内部で結晶方位関係が変化するという知見は著者らが初めて得たものである．

.

鉄合金マルテンサイトの異相界面構造

異相界面構造は界面の移動度やひずみの緩和機構と密接に関連しており，変態生成物の変態機構を解明する上で非常に重要な情報を含んでいる．マルテンサイトとオーステナイト間の界面には母相からマルテンサイトへの格子変形(結晶構造の変化)を担う転位(変態転位)と格子変形によって生じる長範囲のひずみを緩和する転位(緩和転位)の 2 種類が存在する．そこで著者は格子不変変形の様式を正確に同定するために，オーステナイト/ マルテンサイト異相界面構造，特に界面上に存在する緩和転位を詳細に観察した．以下で示すバーガースベクトル(すべり方向)やせん断面の方位はすべてマルテンサイトとオーステナイトの結晶方位関係が[ 1̃01 ]A //[ 1̃1̃1]M , ( 111)A//( 011)M であるバリアントを基準にして指数付けしたものである．
図(a)は Fe33Ni 合金におけるレンズマルテンサイトの界面構造を weak beam 法により観察した TEM 像である．
界面上に規則正しく配列した転位が存在していることがわかる．また図 3(b )は異相界面の原子構造を観察した高分解能
電子顕微鏡( HREM )像である．これらの観察結果から，マ図3(a), (b) レンズマルテンサイトの異相界面構造を表した TEM 像および HREM 像(11)，(c) 種々の格子不変変形が働いた場合のマルテンサイトプレートの弾性ひずみエネルギーとアスペクト比の関係(11)．

ルテンサイトの異相界面上にはバーガースベクトルが a / 2[1̃1̃1]M(＝a/2[1̃01]A )と a/2[11̃1]M(＝a/2[01̃1]A )である 2種類の界面転位が存在していることが明らかとなった(以り変形が成長途中に新たな格子不変変形として導入される要後，これらの界面転位を b1 および b2 と呼ぶ)．転位線方向因を明らかにするために，マルテンサイト変態の現象から推定される b1 と b2 のせん断面はそれぞれ( 112 )M (＝論(5)(8)とマイクロメカニックス(9)(10)を組み合わせた解析を( 101 )A )，( 1̃12 )M (＝( 011 )A )でありせん断量はそれぞれ行った．図 3 ( c )はその結果であり，マルテンサイトのアス0.25 ， 0.12 と見積もられる．ここで特筆すべきことは b1 のペクト比と弾性ひずみエネルギーの関係を表したものであ

界面転位のバーガースベクトルおよびせん断面はミドリブにる．太実線は格子不変変形が b1 のみの場合，太点線は b1 とおいて観察された変態双晶の双晶方向および双晶面と一致しb2 の 2 つのすべり変形が格子不変変形として働いている場ていることである．そのため，レンズマルテンサイトの生成合，他の点線は b1 に加えて b2 以外のすべり系が格子不変変初期段階であるミドリブ(図 2(b ))では，格子不変変形は双形として働いた場合の弾性ひずみエネルギーを表している．

晶変形のみであり，せん断方向は b1 に平行であるが，成長生成初期段階のミドリブの領域では b1 による格子不変変形していく過程で b2 のすべり変形が新たな格子不変変形とし(双晶変形)のみが働いている方が弾性ひずみエネルギーが小て導入されるということが明らかとなった．この b2 のすべさい．しかしアスペクト比が 0.02 以上になると b2 のすべり

新 進 気 鋭

変形が導入されることによってマルテンサイト変態に伴う弾性ひずみエネルギーが大きく減少する．つまりレンズマルテ

.

鉄合金マルテンサイトの粒界強度評価

ンサイトは成長途中に弾性ひずみエネルギーを減少させるために b2 のすべり変形が新たな格子不変変形として導入されると言える．詳細な解析は原論文(11)を参照されたい．

図 1 に示した 4 つの形態のマルテンサイトのうち，ラスマルテンサイト組織はほとんどの高強度鋼に現れる組織であまた詳細は省略するが，格子不変変形が b1 と b2 の 2 種類るため，実用上非常に重要な組織である．これまでラスマルのすべり変形が働く場合，マルテンサイト変態の現象

テンサイト全体の強度に対して最も寄与率が高い強化因子は論(5)(8) から求められるオーステナイトとの結晶方位関係は炭素による固溶強化および析出強化であると考えられてきK S 関係に近い．つまりレンズマルテンサイトの成長に伴た(21) ．しかし近年のナノインデンテーションを用いた一連

う内部微視組織や結晶学的特徴の変化は成長に伴う格子不変の研究(22)(25) により，ラスマルテンサイトの全体の強度に変形の様式の変化によってうまく説明することができる．

対する粒界強化の寄与率は過去の研究で見積もられていた値

ここで図 1 に示した 4 つのマルテンサイトのうち薄板状よりも非常に大きいということが明らかとなってきている．

マルテンサイトとラスマルテンサイトに注目する．薄板状マ

母相オーステナイト粒はラスマルテンサイト変態によって種

ルテンサイトは内部微視組織に高密度の双晶を含んでお々の異なるスケールの微視組織に分割され，ラスマルテンサり(12)，オーステナイトとの結晶方位関係は GT 関係である

イト組織は内部にラス境界，サブブロック境界，ブロック境と報告されている(13)(14)．一方，ラスマルテンサイトは内部界，パケット境界，旧オーステナイト粒界といった結晶学的微視組織は転位であり(15)(16)，オーステナイトとの結晶方位に異なる粒界が多数存在する．これらのどの境界がラスマル関係は K S 関係に近い(17)(20) ．そのため，レンズマルテンテンサイトの全体の強度に対する有効結晶境界であるかは不サイトにおいて観察された双晶から転位への内部微視組織の明である．そこで著者はマイクロサイズ試験片を用いた微小変化および GT 関係から KS 関係へのオーステナイトとの領域力学特性評価によりラスマルテンサイトの粒界強度を正結晶方位関係の変化は薄板状マルテンサイトからラスマルテ確に評価した．

ンサイトへの形態遷移に対応していると言える．つまり，鉄図(a), (b)は Fe23Ni 合金におけるラスマルテンサイト

合金マルテンサイトの形態遷移は格子不変変形の様式の変化の粒界マップであり，この粒界マップに示す領域からサブブに起因していると結論付けることができる．

ロック境界のみを含む片持梁型マイクロサイズ試験片および一つのブロック境界のみを含む片持梁型マイクロサイズ試験片を集束イオンビーム(FIB)加工によりそれぞれ作製した．

図4(a), (b)ラスマルテンサイトの粒界マップ(26)，(c), (d)作製した片持梁型マイクロサイズ試験片の SIM 像(26)．

ま て り あ 第50巻 第 6 号(2011)Materia Japan

せて頂いている．先生方にこの場を借りて心より感謝を申し上げる．最後にまてりあ「新進気鋭」に寄稿する機会を与えていただいた関係者各位に感謝の意を表する．「新進気鋭」とは著者には今は不釣り合いな言葉であると感じるが，本物の「新進気鋭」な研究者になるべく，日々努力を積み重ねていく所存である．

文献考えている．著者が行ってきた研究が鉄合金マルテンサイト( 1 ) T. Maki: Mater. Sci. Forum, 5658(1990), 157168.
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Mater. Trans., 49(2008), 12421248.
( 3 ) A. Shibata, S. Morito, T. Furuhara and T. Maki: Acta Mater.,
57(2009), 483492.
( 4 ) A. Shibata, S. Morito, T. Furuhara and T. Maki: Scr. Mater.,
53(2005), 597602.
( 5 ) M. S. Wechsler, D. S. Lieberman and T. A. Reed: Trans.
AIME, 197(1953), 15031515.
( 6 ) J. S. Bowles and J. K. Mackenzie: Acta Metall., 2(1954), 129137.
( 7 ) J. K. Mackenzie and J. S. Bowles: Acta Metall., 2(1953), 138147.
( 8 ) M. S. Wechsler: Acta Metall., 7(1959), 793802.
( 9 ) T. Mura: Micromechanics of Defects in Solids, 2nd ed,Dordrecht, Martinus Nijhoff, (1982).
(10) 村外志夫，森 勉マイクロメカニックス，培風館，(1976).
(11) A. Shibata, T. Furunara and T. Maki: Acta Mater., 58(2010),
34773492.
(12) T. Maki, S. Shimooka and I. Tamura: Metall. Trans., 2(1971),
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(13) M. Watanabe and C. M. Wayman: Metall. Trans., 2(1971),
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(14) D. P. Dunne and C. M. Wayman: Metall. Trans., 4(1973), 137
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(15) G. Krauss and A.R. Marder: Metall Trans., 2(1971), 2343
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(16) T. Maki and I. Tamura: TetsutoHagane, 67(1981), 852
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(18) K. Wakasa and C. M. Wayman: Acta Metall., 29(1981), 973
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(19) B. P. J. Sandvik and C. M. Wayman: Metall. Trans. A, 14A(1983), 809
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(20) P. M. Kelly, A. Jostsons and R. G. Blake: Acta Metall. Mater.,
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(22) T. Ohmura, K. Tsuzaki and S. Matsuoka: Scr. Mater., 45(2001), 889
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(23) T. Ohmura, K. Tsuzaki and S. Matsuoka: Philos. Mag. A, 82(2002), 19031910.
(24) T. Ohmura, T. Hara and K. Tsuzaki: J. Mater. Res., 18(2003),
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(25) T. Ohmura, T. Hara and K. Tsuzaki: Scr. Mater., 49(2003),
11571162.
(26) A. Shibata, T. Nagoshi, M. Sone, S. Morito and Y. Higo:
Mater. Sci. Eng. A, 527(2010), 75387544.の組織形成機構や力学特性発現機構の解明への一助となれば★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

図5作製した片持梁型マイクロサイズ試験片のマイ
クロ曲げ試験における荷重－変位曲線(26)．

図 4(c), (d)に作製した試験片の走査型イオン顕微鏡(SIM )像を示す．SIM 像のコントラストは図 4(a), (b)の粒界マップと一致しており，図 4( c )の試験片がサブブロック境界のみを含み，図 4(d )の試験片が一つのブロック境界のみ含んでいることがわかる．また参照試料としてフェライト粒内から単結晶フェライトである片持梁型マイクロサイズ試験片も作製した．
図は作製したマイクロサイズ試験片のマイクロ曲げ試験によって得られた荷重変位曲線である．サブブロック境界やブロック境界の存在によって強度が大きく上昇していることがわかる．この荷重変位曲線に基づいた強度解析(26)により，大角境界であるブロック境界の強化能は小角境界であるサブブロック境界に比べて非常に高いことが明らかとなった．変形後の組織観察結果もブロック境界の高い強化能を示唆するものであり，ラスマルテンサイトの強度に対する有効結晶境界はブロック境界であると結論付けることができた．

.

終 わりに

本稿では著者が行ってきたマルテンサイト組織の形成機構および力学特性発現機構に関する研究を駆け足で説明してきた．近年の高強度化のニーズにより，マルテンサイト組織の重要性は従来にも増して強まってきている．しかし冒頭でも述べたが，マルテンサイトの組織形成機構や力学特性発現機構の理解は未だ十分であるとは言えない．鉄合金マルテンサ
イトの分野はその起源は古いが，大きなブレイクスルーにはやはり恒常的な基礎研究の積み重ねが不可欠であると著者は2007 年 3 月

京都大学大学院工学研究科博士後期課
程修了
2007年 4 月 東京工業大学精密工学研究所 助教
2010年 3 月 現職
専門分野材料組織学，材料強度学◎鉄鋼材料をはじめとする構造用金属材料の組織形成および力学特性に関する研究に従事．

幸いである．
本稿の内容の 3 ， 4 節は京都大学の牧正志教授(現名誉教授)，東北大学の古原忠教授，島根大学の森戸茂一准教授のご指導の下，そして 5 節は東京工業大学の肥後矢吉教授のご指導の下に行った研究である．また現在所属する研究室の教授である京都大学の辻伸泰教授には日々多くの事を勉強さ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
柴田曉伸新 進 気 鋭