鉄鋼材料におけるマルテンサイト・ベイナイト変態の結晶学
宮本吾郎

イニティックフェライトと炭化物が混在した組織である．そ.

は じめにの生成機構については，拡散型変態とする考え方(2)と，せん断型変態とする考え方(3)があり，長く論争が続いていたが未凝固や凝集反応と異なり，結晶固体中での相変態挙動は母だ決着はついていない．しかし，ベイナイト/ g 間の方位関相と生成相の結晶学的な制限を強く受ける．鉄鋼材料におい係や晶癖面，ベイナイト/ g 界面構造といった結晶学的な特ては，高温で安定なオーステナイト(gfcc)を冷却する過程

徴はラスマルテンサイトのものと酷似していることが明らかで生成するフェライト( a  bcc )を主構成相とする種々の相にされている(4)．g とマルテンサイトおよびベイナイト間の変態組織を作り込み，多様な特性を持つ材料を得ている．従格子対応は，ベイン対応([100]g//[110]M, [010]g//[1̃10]M,って， fcc → bcc 変態における結晶学は鉄鋼材料の組織形成[001]g//[001]M )によると考えられている．ベイン対応に剛過程を理解する上で欠かせない情報となる．しかし実用鋼の体回転が加わり，マルテンサイトやベイナイトは母相 g に対多くは母相 g が室温で安定に存在しないことから，その相変して最終的に最密面が平行かつ最密方向が平行である態における結晶学の理解は進んでいない．ここ 10 年ほどのKurdjumov Sachs ( K S )の関係(( 111 )g //( 011 )M , [ 1̃01 ]g //間 に 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 ( SEM ) に 電 子 線 後 方 散 乱 回 折[ 1̃1̃1 ]M ) や ， K S 関 係 か ら 最 密 方 向 関 係 が 5.3 °ずれた(EBSD)検出器を備えた装置が広く普及して，広範囲の結晶

Nishiyama Wasserman ( N W ) 関 係 ( ( 111 )g // ( 011 )M ,方位を比較的手軽に測定することが可能となり，様々な材料[11̃0]g//[100]M )に近い方位関係を持つようになる．これらの相変態組織の解析へ適用されている(1)．本稿では，結晶学の方位関係の相関を図( a )に示す． K S 関係および N W的な影響を強く受ける鉄鋼材料のマルテンサイトおよびベイ関係は Bain 対応からのずれが比較的小さなため，これらのナイト変態に対象を絞り，著者がこれまで SEM / EBSD 測方位関係を持って生成する結晶粒方位は 3 種類の Bain 対応定を利用して行ってきた研究事例を紹介する．

を中心として分布することになる． K S 関係には全部で 24通りの等価なバリアントが存在するため，ひとつの g 粒から.

鉄鋼材料におけるラスマルテンサイトおよびベイナイト組織生成したマルテンサイト・ベイナイト組織中には，種々のバリアント境界が形成されることになる．これらの境界の性格およびその密度がマルテンサイトやベイナイトの強度や靭性

g を急冷すると無拡散せん断型変態であるマルテンサイトといった機械的特性を支配する因子の一つとなる．個々のラ変態が起こり，低炭素低合金鋼ではラス形状のマルテンサイ

スは通常幅 1 mm 以下の微結晶であるが，マルテンサイト・トが生成する．一方，鋼をフェライト・パーライト変態温度

ベイナイト変態では 24 種類のバリアントがランダムに生成域とマルテンサイト変態温度の中間温度域で変態させると，するのではなく，隣接するバリアント間には特定の相関が存

ベイナイト組織が生成する．ベイナイト組織は，ラス状のベ在するため，バリアント境界の性格やその密度はバリアント

東北大学助教金属材料研究所(〒9808577 仙台市青葉区片平 2
11)
Crystallography of Martensitic and Bainitic Transformation in Steels; Goro Miyamoto (Institute for Materials Research, Tohoku University, Sendai)
Keywords: steel, martensitic transformation, bainitic transformation, orientation relationship, scanning electron microscopy/electron backscattering diffraction (SEM/EBSD)
2010年 3 月 1 日受理

新 進 気 鋭図1

( a ) g に対して種々の方位関係を持って生成するフェライトの〈 001 〉をプロットした 001g 標準ステレオ投影
図，( b ) ひとつの g 粒から生成したラスマルテンサイト組織の〈 001 〉a 極点図，( c ) ( b )のフィッティング結果．(a)ではひとつのベイン対応とそこから派生した KS 関係および NW 関係のバリアントを赤で示している．

図2

ラスマルテンサイト/g 間の方位関係(Fe0.15C1.5Mn0.2Si 合金)．の隣接傾向やマルテンサイト・ベイナイト/ g 間の方位関係に強く影響される．

に関する情報を含むため，数値計算を用いたフィッティングにより，それぞれを 1 度以内の精度で決定することができる(図 1( c ))．この方法は残留 g の方位を測定する必要がな.

ラスマルテンサイト・ベイナイト/オーステナイ
ト間の方位関係

いため，gが残留しない低炭素低合金鋼でのマルテンサイトやベイナイト/ g 間の方位関係の解析が可能である．手法の詳細は原論文を参照されたい(8)．

相変態の結晶学における最も基本的な情報は両相の結晶構

低炭素マルテンサイト/ g 間の方位関係を解析した一例を造及び方位関係である．マルテンサイトの結晶構造は侵入型

図に示す．図 2 は 001g 標準ステレオ投影図上に[1̃11̃]M お元素を添加すると bcc 構造から bct 構造へと変化することがよび[011]M 方位をプロットしたものであり，等高線は測定知られているが，その正方晶性は低炭素鋼では小さくデータの分布を示している．これを見ると，マルテンサイト

SEM/EBSD 測定では通常検出できないため，ここではそれおよび g の最密方向([1̃11̃]M, [1̃01]g)および最密面((011)M,らを区別せず話を進める．

(111)g)は共に平行関係になく，数度の方位差を持つことがマルテンサイト/ g 間の方位関係については，多量の g が明らかである．更に，マルテンサイト/ g 間の方位関係は一室温でも残留する高合金鋼において生成するレンズマルテン定ではなく，数度のばらつきを持って分布していることが分サイトや薄板状マルテンサイトに関して古くから X 線を用かる．このような高精度の方位関係測定を種々のマルテンサいた精密な測定が行われている(5)．一方で，実用上重要な低イトおよびベイナイト組織について行った結果，いずれの組炭素低合金鋼でのラスマルテンサイトおよびベイナイト/ g織においても最密方向および最密面は平行関係になく，さら間の方位関係については，ラス間に残留したフィルム状 g をに最密面間の方位差は変態温度によって変化することが初め利用した報告例がわずかにあるのみである(6)(7)．これに対して明らかになった(8)．て，著者らは最近 SEM / EBSD 測定を利用して，マルテン後述するように，ラスマルテンサイト生成に伴う変態歪をサイト/ g ，ベイナイト/ g 間の方位関係を求める手法を開発緩和するため周囲 g は塑性変形する(9)．変態温度が高くなるしている(8)．一つの g 粒から生成したマルテンサイトおよびほど g の強度が低下してより塑性緩和が起こりやすくなるこ

ベイナイトは図 1(b)の〈001〉a 極点図に示すような変態集合とを考えると，変態温度が高くなるほどマルテンサイト・ベ組織を有する．この集合組織は，母相 g 方位と結晶方位関係

イナイト周囲の g の方位回転量が大きくなるため，方位関係

ま て り あ 第49巻 第 7 号(2010)Materia Japan図3

ラスマルテンサイト組織の(a) CP マップ，(b) ベインマップ，ベイナイト組織(823 K 変態材)の(c) CP マッ)およびプ，(d) ベインマップ(Fe0.15C1.5Mn0.2Si 合金)．図中黒線，白線はそれぞれ大角粒界(Du＞15°＜Du＜15°)を表す．
小角粒界(5°に変態温度依存性が現れるものと考えられる．

.

マルテンサイト・ベイナイト組織におけるバリアントの隣接傾向

光学顕微鏡や SEM 観察に基づくマルテンサイト組織の分類により，旧 g 粒はほぼ平行な晶癖面を共有するラスの集団であるパケットに分割され，更にパケットはほぼ同じ結晶方位を有するラスの集団であるブロックに分割されることが知られている(10) ．一般的にベイナイト組織も同様の下部組織から構成される．通常パケット境界やブロック境界は大角粒界であるため強度や靭性といった機械的特性に強く影響すると考えられ，その微細化が追求されてきた．これに対して最近 SEM / EBSD 測定による方位解析で，異なる下部組織を有するベイナイト組織が観察されている(11)(12)．
図(a)に低炭素マルテンサイト組織の a 方位マップにおい て ， マ ル テ ン サ イ ト / g 間 の 最 密 面 平 行 ( C lose packedPlane parallel)関係を共有する領域ごとに色分けした CP マップを示す．また，図中の黒線，白線はそれぞれ大角および小角粒界を表している．これを見ると各 CP 領域の中に大角粒界が多数存在することから，マルテンサイト組織では最密面平行関係を共有する複数のバリアントが集団で生成していることが分かる．ラスマルテンサイトの晶癖面は平行関係にある最密面((011)M//～(111)g)に近いことから，各 CP 領域はパケットと対応している．図 3(b )に同一視野においてベイン対応を共有する領域ごとに色分けしたベインマップを示

図4

Fe 33Ni 合金において生成したレンズマルテン
サイト周囲 g の変形，( a) g 中の方位差マップ，(b) g 中の回転および歪テンソル成分のプロファイル．

す．これを見ると，各ベイン領域は大角粒界をほとんど含まないことから分かるように，結晶方位の近いラスによって構成されており，ブロックに相当する．一方，823 K 保持で生に属するバリアントが集団で生成すると，ベイン領域が CP成した低炭素ベイナイト組織を見ると CP 領域内には大角粒領域よりも大きくなるため，従来のパケットやブロックとい界は含まれず(図 3( c))，同一ベイングループに属するバリう概念が成り立たない．そこで，筆者らは従来のパケットやアントが集団で生成している(図 3 ( d ))．より低温の 723 K

ブロックという分類の代わりに，先に述べたように結晶方位で生成したベイナイト組織では，マルテンサイト組織と同様測定を基にしたバリアントの集団として分類される CP グルに CP グループに属するバリアントが隣接して生成することープおよびベイングループという新たな定義を提唱していから，同じベイングループに属するバリアントが集団で生成る．この定義を用いることで，様々な条件で生成したマルテする傾向は，高温で変態させたベイナイト組織の特徴であろンサイトおよびベイナイト組織の特徴を統一的に記述できるうと考えられる．823 K 変態材のように同一ベイングループのではないかと考えている．



新 進 気 鋭マルテンサイトおよび比較的変態温度の低いベイナイト組織において最密面平行関係を共有するバリアントが隣接して生成する理由としては，マルテンサイト・ベイナイト生成に伴い導入される周囲母相 g の弾性エネルギーをなるべく低下させるようなバリアントが集団で生成する自己緩和機構が働くためであると考えられている．一方，変態温度が高い場合には，母相の塑性変形が容易であり変態歪を塑性緩和することができるため，自己緩和機構に有利なバリアントが隣接して生成する必要性が薄れる．一方で，同一ベイングループに属するバリアント間の方位差は小さく，大部分の組み合わせが小角粒界となるのに対して，異なるベイングループに属す以上と非常に大きるバリアント間の方位差はいずれも 45 °い．従って，変態温度が高くベイナイト変態の駆動力が小さい場合には，ベイナイト変態によって形成される粒界のエネルギーを低下させるため，方位差の小さな組み合わせとなるように同一ベイングループに属するバリアントが隣接して生成するものと考えられる．塑性緩和によってある特定の種類の格子欠陥が g 中に導入されて，その後に生成するバリアントが制限される可能性も指摘されている(13)．

.

マルテンサイト周囲 g 中での変態歪の緩和状態

図5

EBSD 像の微小ずれ検出手順，(a) 基準領域から得られた EBSD 像の一部拡大図，( b ) 測定領域から得られた EBSD 像の一部拡大図，( c ) ( a)と( b )から計算した位相限定相間像，( d ) EBSD 像
全体での微小ずれ(変化量は 20倍にして表してある)．

上述したようにマルテンサイト・ベイナイト/ g 間の方位関係においても，バリアントの隣接傾向においても，マルテンサイトおよびベイナイト変態に伴う周囲母相 g の変形挙動

ずれベクトルを EBSD 像の複数の場所で求めることで，図が組織形成を支配する非常に重要な因子となる．これまでに5( d )に示すように EBSD 像が全体としてどのように変化すマルテンサイト変態に伴う周囲母相の変形については，原子るかを知ることができる．EBSD像の変化は結晶の変形と直間力顕微鏡による表面起伏測定(14) や， TEM を用いたマル接関係することから， EBSD 像の微小変化量より基準点にテンサイト周囲 g 中の転位組織の観察(15) により調べられて対する測定点の結晶の変形を変位勾配テンソルとして得るこきたが，ここでも SEM / EBSD 測定は強力な解析手法となとができる．

る(9)(15) ．図( a )に Fe 33Ni 合金において生成したレンズ

本研究では， Wilkinson ら(16) の手法を参考にして，彼らマルテンサイト周囲 g 中の方位差マップを示す．この図ではの用いている相互相関法ではなく，より感度の高い位相限定マルテンサイトを黒で，マルテンサイトから離れた基準点か相関法(17) を用いて独自のプログラムを作成した．また，同らの g 中の方位差を色のグラデーションによって表してい一 g 粒内でマルテンサイトから十分離れた点の変形は小さい

る．この図に示すように，レンズマルテンサイト周囲 g 中にと考えて基準点とし，マルテンサイト周囲 g の変形を測定しは大きな方位変化があり，レンズマルテンサイト生成に伴うた．図 4( a )に示したレンズマルテンサイトに対して垂直な変態歪を緩和するために g が塑性変形して方位回転が生じて線に沿って測定した変位勾配テンソルの回転および歪成分プいる．この塑性緩和領域はレンズマルテンサイトの両側にマロファイルを図 4( b )に示す(9)．ここで，歪成分は弾性変形ルテンサイトに対して対称に分布しており，マルテンサイトに由来し，回転成分は弾性・塑性変形両方に由来するが，一現象論から予測される形状変化方向に沿って発達しているこ

般的に塑性変形による歪量は弾性変形による歪量よりも桁違とが明らかになっている(9)．

いに大きなことから，塑性変形した材料では回転成分が歪成

上記のような結晶方位に基づく塑性変形の議論に対して，分よりも大きくなると予想される．図 4(b )に示すようにレ変形前後の EBSD 像の微小変化を画像処理により検出し，ンズマルテンサイト周囲では歪成分よりも回転成分の変化が局 所 領 域 の 弾 塑 性 歪 を 測 定 で き る 手 法 が 最 近 Wilkinson

著しく大きなことから，レンズマルテンサイト生成に伴う変ら(16)によって開発されている．この手法では，基準点と測態歪の多くは g の塑性変形によって緩和されていることが分定 点 か ら 撮 影 し た EBSD 像 か ら 同 一 箇 所 を 切 り 出 し ( 図かる．変形領域はレンズマルテンサイトの両側に存在する

(a), (b))，画像解析による相関像(図 5(c))を計算する．相が，マルテンサイト厚さの数倍程度の狭い領域に集中してい関像中の最輝点の座標が 2 つの画像のずれ量とずれ方向(ずる．更に，回転テンソルの 3 つの成分の比率は回転軸の方れベクトル)を表すため，最輝点の座標を精密に測定するこ位に対応していることから，得られた回転成分より g 中の方とで 2 つの画像のずれベクトルを得ることができる．この

位回転の回転軸方位を議論することもでき，マルテンサイト

ま て り あ 第49巻 第 7 号(2010)Materia Japan変態の現象論との比較が行われている(9)．このように本手法

文を用いることで弾性変形のみならず，塑性変形の量(方位差)献や種類(回転軸方位)についても定量的な議論が可能となる．
母相の塑性変形を伴うラスマルテンサイトおよびベイナイト組織については，自己緩和機構が完全には解明されておらず組織形成過程は良く分かっていない．母相 g の緩和挙動の詳細な調査は，ラスマルテンサイトおよびベイナイト組織形成過程を解明する糸口となるのではないだろうか．今後の展開を期待したい．

.

お わりに

本稿では，鉄鋼材料におけるマルテンサイトおよびベイナイト変態の結晶学を対象として著者らがこれまでに行ってきた研究を中心に紹介した．鉄鋼材料の相変態という非常に古くから研究されているテーマではあるが，よく分かっていな
い 点 は 存 外 多 い ． 本 稿 で 紹 介 し た SEM / EBSD 解 析 を 始め，放射光・中性子線やレーザー顕微鏡によるその場観察，3 次元観察等の最近の解析装置・技術の著しい進歩によって，これまでは推測するしかなかった事象が直接測定することができるようになってきている．理論の発展も伴いながら組織形成の支配因子の理解が今後ますます深まることで，優れた材料が開発されることを期待している．

( 1 ) A. F. GourguesLorenzon: Int. Mater. Rev., 52(2007), 65128.
( 2 ) 榎本正人，椿野晴繁まてりあ，28(1989), 732741.
( 3 ) 大森靖也まてりあ，29(1990), 542551.
( 4 ) T. Moritani, N. Miyajima, T. Furuhara and T. Maki: Scr.
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( 5 ) C. M. Wayman: Adv. Mater. Res., 3(1968), 147303.
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( 7 ) M. X. Zhang and P. M. Kelly: Scr. Mater., 47(2002), 749755.
( 8 ) G. Miyamoto, N. Takayama and T. Furuhara: Scr. Mater., 60(2009), 11131116.
( 9 ) G. Miyamoto, A. Shibata, T. Maki and T. Furuhara: Acta
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(10) 森戸茂一ふぇらむ，14(2009), 9096.
(11) N. Takayama, G. Miyamoto, N. Kamikawa and T. Furuhara:
CAMPISIJ, 22(2009), 534.
(12) A. F. Gourgues, H. M. Flower and T. C. Lindley: Mater. Sci.
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(13) 古原忠ふぇらむ，14(2009), 97102.
(14) M. Yamamoto, K. Nishikawa, Y. Noda and T. Saburi: J. Vac.
Sci. Technol. B, 12(1994), 18131816.
(15) A. Shibata, S. Morito, T. Furuhara and T. Maki: Scr. Mater.,
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(16) A. J. Wilkinson, G. B. Meaden and D. J. Dingley: Ultramicroscopy, 106(2006), 307313.
(17) K. Takita, T. Aoki, Y. Sasaki, T. Higuchi and K. Kobayashi:
IEICE Trans. Fundamentals, E86A(2003), 19251934 .
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
2006年 3 月 京都大学工学研究科博士後期課程修了
2006年 4 月11月 日本学術振興会特別研究員(PD)2006年12月 現職
専門分野相変態・析出，結晶学，熱力学◎鉄鋼材料の組織制御の指導原理を得るべく，種々の加工熱処理中の相変態・析出における組織形成過程に関する基礎研究を行っている．

本稿の内容は，著者が京都大学在籍時に牧正志教授(現名誉教授)の薫陶を受けてマルテンサイトに関する研究に着手し，東北大学に移ってからは古原忠教授にご指導頂きながら遂行してきたものである．両先生に心からの謝意を表した
い．また，島根大学の森戸茂一准教授ならびに東京工業大学の柴田曉伸助教には貴重なご助言を頂いた．またここで紹介★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
宮本吾郎

した成果の一部は東北大学大学院生の高山直樹君のご尽力により得られたものである．紙面を借りて深く御礼申し上げる．

新 進 気 鋭