A1変態点｜鋼の組織変化が始まる臨界温度

A1変態点

A1変態点とは、鉄鋼材料において共析変態が起こる温度であり、Fe-C系平衡状態図上では727℃に位置する基準温度である。炭素量0.77%の共析組成をもつγ固溶体（オーステナイト）を冷却していくと、この温度でフェライトとセメンタイトが同時に析出してパーライト組織を形成する。逆に加熱時にはパーライトがオーステナイトへと逆変態する温度でもあり、炭素量にかかわらずFe-C二元系では一定の727℃を示す。熱処理設計において加熱温度の下限を規定する重要な基準点であり、焼入れ・焼なまし・焼ならしなどすべての熱処理プロセスはこの温度を基準として組み立てられる。

変態点の定義と命名

A1変態点の「A」はフランス語のArrêt（停止）に由来し、加熱・冷却曲線上に現れる熱的停滞点（thermal arrest）を指す。鋼の加熱冷却試験では、変態に伴う潜熱の吸放出によって温度変化が一時的に停滞する現象が観察され、その停滞温度を変態点と定義した。A1は一連の変態点のうち最も低温側にある共析変態に対応し、より高温のA3（フェライト⇔オーステナイト変態）やAcm（セメンタイト⇔オーステナイト境界）と区別される。加熱時の変態点はAc1（c：chauffage＝加熱）、冷却時はAr1（r：refroidissement＝冷却）と表記し、実際の測定ではヒステリシスにより数℃から数十℃のずれが生じる。

Fe-C系状態図における位置づけ

Fe-C系平衡状態図においてA1変態点は水平線（共析線、PSK線）として描かれ、炭素量0.02%から6.67%の全範囲にわたって727℃で一定である。この水平線を境に、上方はオーステナイト単相域またはオーステナイトと初析相の二相域、下方はフェライト＋セメンタイトの二相域となる。共析組成（0.77%C）ではちょうどA1線上でオーステナイト単相が共析分解を起こし、亜共析鋼（0.02〜0.77%C）では初析フェライトを析出した後にA1線で残りのオーステナイトがパーライトに変態する。過共析鋼（0.77〜2.14%C）では初析セメンタイトを粒界に析出してからA1線でパーライトへと変態する。

Ac1の測定と合金元素の影響

実際の加熱変態温度Ac1は、加熱速度が大きいほど平衡値727℃より高温側にシフトする。工業的な昇温速度（数℃/min〜数十℃/min）では平衡点より10〜30℃程度高い温度で変態が始まることが多い。合金元素はAc1を大きく変化させ、ニッケル（Ni）やマンガン（Mn）はAc1を低下させる傾向があるのに対し、クロム（Cr）・モリブデン（Mo）・シリコン（Si）などはAc1を上昇させる。このため合金鋼の熱処理では、公称727℃ではなく実測または計算で求めたAc1を基準に加熱温度を決定する必要がある。代表的な近似式としてAndrewsの経験式が用いられ、Ac1（℃）＝723 − 10.7×%Mn − 16.9×%Ni + 29.1×%Si + 16.9×%Cr + 290×%As + 6.38×%W などで表される。

熱処理温度設計の基準

A1変態点は各種熱処理の加熱温度を決定するうえで中心的な基準となる。焼入れでは亜共析鋼をA3線より30〜50℃上、共析・過共析鋼をA1線より30〜50℃上に加熱してオーステナイト化したのち急冷する。焼なましでは完全焼なまし（亜共析鋼）はA3線超、球状化焼なましはA1線直上・直下の温度を繰り返す。応力除去焼なましはA1線以下の温度で行い、組織変態を伴わずに残留応力のみを低減する。焼ならしでは亜共析鋼をA3線より高く加熱し、空冷によって微細なパーライト組織を得る。いずれのプロセスもA1線との位置関係で温度域を規定しているため、正確なAc1把握が品質安定に直結する。

TTT線図・CCT線図との関係

TTT線図（等温変態線図）およびCCT線図（連続冷却変態線図）はいずれもA1変態点を出発温度として描かれる。オーステナイト化した鋼を727℃以下の各温度に保持または連続冷却したときの変態挙動を示す図であり、パーライト・ベイナイト・マルテンサイトのいずれの組織が得られるかは冷却速度とA1線からの温度的距離によって決まる。A1線直下の高温域（600〜727℃付近）では拡散変態が優先してパーライトが生成し、中間温度域（250〜550℃付近）ではベイナイトが、Ms点以下ではマルテンサイトが生成する。このため、A1変態点の正確な値はTTT/CCT線図の形状を左右し、冷却速度設計に直接影響する。

A1線以下の熱処理：焼戻しと球状化焼なまし

A1変態点を超えない範囲で行う熱処理として、焼戻しと球状化焼なましが代表的である。焼戻しは焼入れ後のマルテンサイト組織をA1線以下の温度に再加熱し、硬さを調整しつつ靭性を付与する操作である。加熱温度が高いほどセメンタイトの凝集・粗大化が進み、硬さは低下するが靭性は向上する（焼戻しマルテンサイト→トルースタイト→ソルバイトへの段階的変化）。球状化焼なましではA1線直上と直下の温度を繰り返すか、A1線直下で長時間保持することでセメンタイトを球状化し、冷間加工性と被削性を向上させる。いずれもA1線を超えないことで組織の大幅な変化を避けながら特性を制御できる点が特徴である。

焼戻し温度と機械的性質の目安

焼戻し温度とおおよその硬さ・用途の関係を以下に示す。実際の値は鋼種・炭素量・合金元素によって異なる。

工業的な管理と注意点

工業炉での熱処理においてA1変態点前後の温度管理は厳密に行う必要がある。A1線を意図せず超えると組織がオーステナイト化し、後工程の冷却次第で意図しない硬化や組織変化が生じる。特に応力除去焼なましでは加熱温度の上限をAc1より低く設定し、温度バラつきを考慮した余裕幅を設けることが一般的である。実炉では熱電対による温度測定のほか、試験片（テストピース）を用いた組織確認や硬さ測定によって変態の有無を検証する。また、大型部品では表面と内部の温度差（温度勾配）が生じやすいため、均熱時間の確保がAc1以下を保証するうえで重要となる。