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高校生のための
「機械工学体験セミナー」

機械工学科3年の学生実験I-09

先端実験「金属材料の熱処理および
  微視組織とマクロ・ミクロ硬さ」

  近年,構造材料に組織制御した材料が用いられ,機械技術者にも,材料のマクロな性質だけでなく,組織構造を意識した新しい材料強度学の理解が求められている.特に鋼は熱処理によって組織を変化させ,機械的性質を変えている.
  鋼は,727℃(A1点)以上に加熱するとオーステナイト相になる.この状態から急冷するとマルテンサイト相という硬い相に変態する.この熱処理を焼入という.鋼は焼入後A1点以下の温度に再加熱して焼もどしすることが多い.本実験では,S45Cの炭素鋼について焼入及び焼もどしを行い,焼入方法や焼もどしによる硬さの違いについて学ぶとともに,鋼の芸術品と言われている日本刀などの断面組織を観察をしながら,ナノ・ミクロ硬さ試験機により,従来の強度試験法では実測できない微小域の強度評価法を実体験し,

  1. 「ナノ・ミクロ構造と材料のマクロ特性の関係」を理解する
  2. 鋼材開発で最も重要な「熱処理と組織,マクロ特性との関係」を理解する

ことを目的とする.

本実験の特徴とねらい

 鋼の組織は,炭素量によって異なるが,フェライトとセメンタイトの混合組織(図1)からなる.また,焼入で変態する組織(図2)も炭素量に依存した組織となる.
 これら材料の機械的性質は,ミクロ組織の機械的性質が平均化されたものになることは,その力学が理解できなくとも十分に予想できる.
 
図1 亜共析組織
図2 マルテンサイト組織
 ナノ・ミクロ硬さ試験機(図3)を用いると,材料を構成する各相のナノ・ミクロな硬さを測ることができる.ビッカース硬さ試験のようなマクロな硬さは,図3のインデンターで混合組織の平均的な硬さ(マクロ硬度)を測ることができるが,個々の相にインデンターを打つことは難しい.ナノ・ミクロ硬さでは,図4のように個々の相の硬さを知ることが可能.
図3 インデンターによる硬さ試験
図4 マクロな硬さとナノ・ミクロな硬さの関係
 
 実験では,鋼板組織の顕微鏡観察を行い,材料を構成する各相を理解するとともに,各相に対してナノ・ミクロ硬さ試験を実施し,鋼板のマクロな硬さと各相のナノ・ミクロ硬さとの関係を導くとともに,ナノ・ミクロ硬さ試験方法を習得する.
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更新: 2013-06-11