鉄の同素体とは？フェライト・オーステナイト・δ・εの定義と温度帯

鉄の同素体（フェライト・オーステナイト・δ・ε）とは？各相の定義と出現温度帯を図解でわかりやすく解説。材料・熱処理の基礎知識に必携。

鉄は、同素体を持つ金属の中で最もよく使われる例です。鉄は温度や圧力に応じて結晶構造と磁気状態を変え、通常はフェライト（α鉄）、オーステナイト（γ鉄）、δ鉄、および高圧下に現れるε（イプシロン）鉄の主な同素体が知られています。これらは純鉄の相図上で安定に現れる相であり、鋼の熱処理や地球内部の物性の理解に重要です。なお、第5の形態が存在するという報告や議論もありますが、決定的に確立されたわけではありません。

主な同素体とその温度・圧力帯

• α-鉄（フェライト）：常圧での安定相は体心立方格子（BCC）。約912℃以下で存在します。さらに温度が下がると、約約770℃（キュリー点）以下で強磁性を示し、これより上では常磁性となります。
• ベータフェライト（β-鉄）：学術的にはα相と同じ結晶構造（BCC）ですが、キュリー点付近で磁気秩序を失い常磁性になる状態を指すことがあり、区別して呼ばれることがあります（おおむね約770℃〜912℃）。
• オーステナイトとは（γ-鉄）：面心立方格子（FCC）をとり、約912℃〜1394℃で安定です。オーステナイトは炭素を多く溶かし込めるため、鋼の構造や熱処理（焼入れ、焼戻し、焼なましなど）で非常に重要な相です。
• δ-鉄（デルタ鉄）：体心立方格子（BCC）で、約1394℃〜融点1538℃の高温域に存在します。液相から固相へ凝固するときにまず現れる固相がδ鉄です。
• ε-鉄（イプシロン鉄）：ヘキサゴナル（六方最密構造、HCP）を取り、常圧では通常見られませんが、高圧条件下で形成します。室温付近でも安定化するにはおよそ10〜13 ギガパスカル程度以上の圧力が必要とされることが報告されています（高温高圧下ではさらに複雑な挙動を示します）。

結晶構造と磁気の関係

各同素体は結晶格子と磁気状態が密接に関連しています。α鉄はBCC構造であり常温では強磁性を示すため、磁石になる性質があります。温度上昇で磁気秩序が失われると、同じBCC構造でもβ相と呼ばれる常磁性状態になります。γ相はFCC構造で常温付近では通常存在せず、強磁性は示しません。これらの性質は鉄を含む合金（鋼）の機械的性質や磁性を決める重要な要素です。

相変態の実際（応用と速度論）

温度変化だけでなく、冷却速度や不純物（特に炭素）の存在が相の生成に強く影響します。例えば鋼を急冷（焼入れ）すると、オーステナイトからマルテンサイトという過飽和固溶体（格子歪みの大きい体積変化を伴う相）が生成し、硬く脆い性質を示します。これらは同素体そのものではありませんが、オーステナイトの分解によって生じる金属学的産物です。相変態の速度論（拡散支配か変態核の形成か）は実用上非常に重要です。

高圧相と地球科学的意義

ε-鉄のような高圧相は地球の核や高圧実験、衝撃圧縮実験で話題になります。地球中心部のような極めて高い圧力・温度条件下での鉄の結晶相と磁性は、地球磁場や内部ダイナミクスの理解に直結します。

まとめ

• 鉄には複数の同素体があり、それぞれ結晶構造（BCC, FCC, HCP）や磁気特性が異なる。
• 常圧では主にα（〜912℃）、γ（912〜1394℃）、δ（1394〜1538℃）の3相が温度に応じて現れる。キュリー点（約770℃）で磁性が変化する点に注意。
• ε相は高圧下（およそ10〜13 ギガパスカル以上）で現れる高圧相で、地球科学的にも重要。
• 実用上は不純物や冷却速度による相変態の速度論が材料特性を左右するため、相図とともに動力学的な視点が必須である。

さらに詳しい化学組成や圧力・温度の厳密な相境界、合金元素の影響については専門の相図資料や金属材料の教科書を参照してください。鋼の熱処理や高圧実験の条件によっては、ここで述べた範囲を越える複雑な相や準安定状態が現れます。

質問と回答

Q:鉄の同素体とは何ですか?

Q: γ-鉄の別名は何ですか?

Q: 1538℃以下で存在する鉄の形態は?

Q: βフェライト鉄とは何ですか?

Q:アルファ鉄とは何ですか?

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