鉄の結晶構造の面白さ～日本刀の強さを読み解く～

日本刀の強さは「焼入れ」から

鉄に千分の一程度の微量の炭素を含む合金が鋼（はがね）です。この鋼の強度を高めるために、「焼入れ」という熱処理の方法があります。日本刀を作るときに、高温に熱した鋼を水の中に入れ、急激に冷やしているのを見たことがあると思いますが、日本刀の強さの要因はこの焼入れにあります。
では、焼入れとはどんな仕組みなのでしょうか。それには鉄の結晶構造の面白い特性が関係しています。

硬い結晶構造に変態するポイントは「急冷」

鉄の結晶構造は常温では体心立方格子、911℃以上になると面心立方格子に変化します。これらの構造を持つ相はそれぞれ「フェライト」と「オーステナイト」と呼ばれます。このフェライトに炭素が多く含まれていると鉄は硬くなるのですがたくさん含むことができません。オーステナイトはそれなりに炭素を含むことができるのですが、室温では不安定です。フェライトにたくさんの炭素を溶け込ませるためには、炭素を多く含むオーステナイトを、炭素が逃げ出さないうちに「急冷」してフェライトにする必要があります。これを「焼入れ」といいます。この焼入れにより現れる炭素を多く含む「普通の」フェライトとは異なる硬い相を「マルテンサイト」といいます。さらに焼入れにより結晶の並びが乱れ、さらに硬くなるだけではなく壊れにくくもなります。この無理やりたくさんの炭素を入れることで強度の高い相ができるこの仕組みを、日本刀づくりでは昔から経験的に利用してきたというわけです。

まだまだ進化中の鉄鋼材料

このように材料科学では、電子顕微鏡やX線回折（かいせつ）などで材料の持つ構造を特徴づけ、強度などの機械的特性や原理を系統的に調べていきます。その中で鉄鋼材料も、高温加工や温度の上げ下げ、混ぜる元素の選択や割合の調整などをして、硬さや粘り強さ、摩耗への耐性など多様な要求に応じた作り込みが研究されています。そういう意味では、古くから利用される「鋼」も、材料としてまだまだ進化中なのです。

※夢ナビ講義は各講師の見解にもとづく講義内容としてご理解ください。

※夢ナビ講義の内容に関するお問い合わせには対応しておりません。

先生情報 / 大学情報

島根大学材料エネルギー学部材料エネルギー学科教授森戸茂一先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

材料科学、材料組織学、金属材料学

メッセージ

私は鉄鋼材料の研究をしています。あなたは「鉄鋼材料は古くて、もう研究することがないのでは」と思うかもしれませんが、そんなことはありません。ほかの材料にはない面白い特長を持つ鉄鋼は、現在も日々進化し、どんどん新しいものができています。その進化のメカニズムを探る研究を一緒にやってみませんか。
大学では教員との出会いや学会、研究会などに参加する機会がたくさんありますから、「積極的にチャンスに向かう」気持ちを持って来てください。

先生への質問

先生の学問へのきっかけは？
先輩たちはどんな仕事に携わっているの？

島根大学に関心を持ったあなたは

島根大学は、学術の中心として深く真理を探究し、専門の学芸を教授研究するとともに、教育・研究・医療及び社会貢献を通じて、自然と共生する豊かな社会の発展に努めています。とりわけ、世界的視野を持って、平和な国際社会の発展と社会進歩のために奉仕する人材を養成することを使命とします。この使命を実現するため、知と文化の拠点として培った伝統と精神を重んじ、「地域に根ざし、地域社会から世界に発信する個性輝く大学」を目指すとともに、学生・教職員の協同のもと、学生が育ち、学生とともに育つ大学づくりを推進しています。