2018 Fiscal Year Annual Research Report

nonstoichiometry and thermodynamic stability of cementite in Fe-C system

Research Project

Project/Area Number	16K14435
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	大谷博司東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70176923)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	飯久保智九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (40414594) 徳永辰也九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40457453) 榎木勝徳東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (60622595)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	セメンタイト / 非化学量論化合物 / 混合エントロピー
Outline of Annual Research Achievements	セメンタイトの結晶構造の八面体中心位置に存在する八面体位置にC原子を配置した構造モデルを考えて，クラスター展開・変分法によりセメンタイトの自由エネルギーを計算した．その結果，温度の上昇とともにFe3Cの化学量論組成での配置エントロピーが急激に増大することがわかった．そこでFe-C２元系合金を実際に溶製し，セメンタイトを抽出分離法により採集した．それをX線回折，中性子線回折により分析し，格子定数の測定や八面体侵入型位置へのC原子の固溶を確認した．しかしこの測定からは，セメンタイトの化学量論組成からの有意な変化は認められなかった．現在この追試を引き続き行っている状況である．本研究のもう一つの目的であるFe-C系状態図の再検討を行うために，準安定平衡状態，特に実用的に重要なマルテンサイトの焼戻し過程における準安定炭化物の生成についての検討を行った．炭素鋼のマルテンサイトの焼戻しでは，準安定炭化物の析出を経てフェライトとセメンタイトへ分解するが，100℃から200℃での焼き戻しではマルテンサイトからη相（Fe2C）が形成され，基地相が低炭素マルテンサイト相となる．そこで，第一原理計算を用いたクラスター相互作用エネルギーの評価とそれを用いたモンテカルロ・シミュレーションにより熱力学的に考察した．この結果から，Fe2C-η炭化物の析出過程について次のように考察した．すなわち，BCC 鉄-炭素系の二相分離傾向により高炭素領域が生じ，高炭素領域から規則化によりFe2C規則構造が生成し，同素変態することでFe2C-η炭化物が生じると考えられる．実験的に報告されているFe2C-η炭化物の母相との方位関係と，本研究で得られたFe2C規則構造の母相との方位関係を比較したところ良い一致を示したため，実験結果とも整合することが確認された．