ベイナイト相の組織予測方法
【課題】ベイナイト分率を精度良く予測すると共にブロックサイズを予測し、これらを算出することができるベイナイト相の組織予測方法を提供する。
【解決手段】オーステナイト単相温度等から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイト分率及びブロックサイズを計算するベイナイト変態計算工程において、オーステナイト粒界等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界等のうち、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、オーステナイト粒内における炭素量の増加による、ベイナイト変態時に導入される歪エネルギーの増大に伴い、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めることを特徴とする。
【解決手段】オーステナイト単相温度等から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイト分率及びブロックサイズを計算するベイナイト変態計算工程において、オーステナイト粒界等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界等のうち、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、オーステナイト粒内における炭素量の増加による、ベイナイト変態時に導入される歪エネルギーの増大に伴い、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材料の特性の支配的な組織であるベイナイト相の組織形態を精度よく予測するためのベイナイト相の組織予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間圧延材や冷間圧延材、溶接金属の鉄鋼材料の特性のばらつきを抑制するために、また、鋼材の特性を製造段階で物理評価を行うことなく予測するために、材質予測技術が利用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、ベイナイト変態モデルを含んだ材質予測モデルを用いて、残留オーステナイト組織を有する高強度熱延鋼板を、安定かつ確実に製造するための製造方法が開示されている。また、特許文献２には、ベイナイト変態予測を含む変態モデルと共に、初期状態モデル、熱間加工モデル、析出モデル、熱処理モデル及び組織−材質モデルからなる材質予測方法を用いて、厚鋼板等の組織や材質を製造段階で予測することによって、要求される材質仕様を確実に実現する方法が開示されている。
【０００４】
鋼板の特性（材質特性）に大きな影響を与える組織としてベイナイト組織（ベイナイト相の組織）があり、このベイナイト組織形態（例えば、ベイナイト分率（体積率）やブロックサイズ、セメンタイト分率）を的確に予測することは極めて重要である。ここで、図７に示すように、ベイナイト組織２００は、オーステナイト（あるいは旧オーステナイト）粒（γ粒）１内に、ベイナイトラス若しくはsub-unitと呼ばれる組織を最小単位とし、ブロック若しくはsheafと呼ばれる、方位のそろったベイナイトラス（sub-unit）２の集合した領域（ブロック（sheaf）３）から構成されている（例えば、非特許文献１，２参照）。ベイナイト組織は、オーステナイトが存在する高温域からの冷却過程においてベイナイトラスが核生成していくことで形成されると考えられるため、冷却過程における微小時間においては等温変態が生じるものとみなして、等温変態におけるベイナイトラスの核生成速度を用いて予測計算され、このような予測計算は、理論的、実験的に解明されている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１３０３１８号公報
【特許文献２】特開平５−８７８００号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】牧正志 : まてりあ, 42 (2007), pp.321.
【非特許文献２】H.K.D.H.Bhadesia : "Bainite in Steels", THE INSTITUTE OF MATERIALS, pp.125.
【非特許文献３】M.AZuma et al.:ISIJ International, 45 (2005), pp.221.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の材質予測方法では、ベイナイト分率を予測することはできるが、鋼板の延性や靭性等に影響すると考えられるブロックサイズを計算することができないという問題がある。また、ベイナイト分率の予測精度についても、従来モデルでは不十分である。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、ベイナイト分率を精度良く予測すると共にブロックサイズを予測し、これらを算出することができるベイナイト相の組織予測方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のベイナイト相の組織予測方法は、オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズを予測システムにより計算するベイナイト相の組織予測方法であって、前記予測システムは、前記冷却パターンである熱履歴を設定する熱履歴設定手段と、前記冷却前の鋼材に含まれる成分を測定する成分測定手段と、前記熱履歴設定手段において設定された熱履歴の熱処理を施す前に前記鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定する前工程熱履歴測定手段と、前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記成分測定手段で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する熱力学パラメータ計算手段と、前記前工程熱履歴測定手段で測定された熱履歴に基づいて、前記鋼材の冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径を計算する初期粒径等計算手段と、前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記熱力学パラメータ計算手段で計算された熱力学パラメータと、前記初期粒径等計算手段で計算されたオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径とに基づいて、組織パラメータを計算する組織予測計算・判断手段と、を備える。
【００１０】
そして、前記組織予測計算・判断手段は、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点を算出し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率を計算し、この計算した値に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面から核生成したベイナイトラスの核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求めるベイナイト変態計算工程を有する。
【００１１】
そして、前記ベイナイト変態計算工程では、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、オーステナイト粒内における炭素量の増加によりベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大するのに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求める。
ここで、本発明において最終的に求めるブロックサイズは、後記するように、ブロック１個あたりの平均体積から円相当径を算出することにより求めた平均のブロックサイズ（平均ブロックサイズ）である。
【００１２】
このような構成によれば、予測システムが、熱履歴設定手段と、成分測定手段と、前工程熱履歴測定手段（以下、前工程の熱履歴測定手段ともいう）と、熱力学パラメータ計算手段と、初期粒径等計算手段と、組織予測計算・判断手段と、を備えることで、ベイナイト相の組織について、より正確な予測を行なうことができる。特に、ベイナイト変態計算工程において、（１）オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラス（ベイニティックフェライト）の核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別すること、（２）核生成サイトにおいて、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少する挙動を考慮すること、（３）オーステナイト粒内における炭素量の増加による歪エネルギーの増大に伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化することを考慮すること、により、ベイナイト相の組織におけるベイナイト分率とブロックサイズについてより正確な予測を行うことができる。
なお、ベイナイトとは一般にベイナイトラスと、セメンタイト若しくは残留オーステナイトとの混合組織を指しているが、ここでのベイナイト分率とはベイナイトラスの分率と定義する。また、ベイナイトラスの核生成サイトとは、ベイナイトラス核が生成する際に必要となる生成の場である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、亜共析組成の鋼材のベイナイト組織について、ベイナイト分率及びブロックサイズの正確な予測を行うと共に、これらの値をより正確に計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ベイナイト相の組織予測方法を実行するための予測システムの概略ブロック図である。
【図２】ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）の第１実施形態に係る概略フローチャートである。
【図３】ベイナイト変態計算（ＳＴ５）の内容を示すフローチャートである。
【図４】ＳＴ２で設定した熱履歴（パターン）の一例を示す模式図である。
【図５】ブロックの体積の成長について説明するための模式図である。
【図６】ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）の第２実施形態に係る概略フローチャートである。
【図７】ベイナイト相の組織の構成について示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
＜システム構成＞
図１にベイナイト相の組織予測方法を実行するための予測システムの概略ブロック図を示す。まず、鋼材の製造方法の一例としては、所定組成を有する合金を溶解、鋳造して製造された鋳塊を熱間圧延し、その後、所定条件で冷却する方法が挙げられる。
この予測システム１００は、オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材のベイナイト組織（ベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズ）についての知見を得るものである。すなわち、前記冷却とは、（１）オーステナイト単相温度、（２）オーステナイトと、フェライトとの二相温度のいずれかの温度からの冷却である。
【００１６】
そして、予測システム１００は、目標値設定手段５と、熱履歴設定手段１０と、成分測定手段２０と、前工程の熱履歴測定手段（前工程熱履歴測定手段）３０と、熱力学パラメータ計算手段４０と、初期粒径等計算手段５０と、組織予測計算・判断手段６０と、を備えている。そして、組織予測計算・判断手段６０は、鋼板等の製造ライン８０が具備する温度制御装置７０との間でデータ（信号）の送受信を行うことができるようになっている。
なお、後記するように、目標値設定手段５による目標値の設定は行なわないこととしてもよく（「ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第２実施形態」参照）、また目標値設定手段５を備えない構成としてもよいが、ここでは目標値設定手段５を備え、目標値を設定するものとして説明する。
【００１７】
予測システム１００は、所謂、コンピュータであり、前記した各手段は、所定のデータ等を入力する入力手段（例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等）と、入力データや計算結果等を表示する表示手段（例えば、液晶ディスプレイ等）と、オペレーティングシステムプログラムや各種の計算プログラムや、計算に用いるデータ及び計算結果データ等を記憶・保存している記憶手段（例えば、ハードディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ等）と、計算プログラム等を実行する演算手段（ＣＰＵ）と、これらの手段同士の間でデータを通信するデータ通信手段（システムバス）等と共に構成されており、その動作態様は一般的なパーソナルコンピュータと同様である。なお、これらの各手段については図示しない。
【００１８】
［目標値設定手段５］
目標値設定手段５は、目標とするベイナイト相の組織を規定するパラメータ（以下、所定の相の組織を規定するパラメータを「組織パラメータ」という）であるベイナイト分率及びブロックサイズの目標値を定めるものである。また、ベイナイト相以外の相、例えば、残留オーステナイト、パーライト、フェライト、マルテンサイトの各相についても、所定の組織パラメータ（例えば、パーライト分率、ラメラ間隔、フェライト分率、残留オーステナイト分率、残留オーステナイト中の炭素濃度等）の目標値を設定することができる。これらの組織パラメータには、一定の許容範囲を設けることができるようになっている。
【００１９】
予測システム１００のオペレータは、各組織パラメータを設定するためのプログラム（予測システム１００には各種計算に用いるソフトウエアがインストールされていることを前提とする）を起動し、入力手段を通じて、それぞれの目標値を設定することができる。この目標値は、組織予測計算・判断手段６０に送信される。
【００２０】
なお、ここではベイナイト相の組織パラメータ以外の組織パラメータの設定は任意である。後記するように予測システム１００では、ベイナイト以外の相の組織パラメータを計算することができるようになっているが、ベイナイト以外の相の組織パラメータについては目標値を定めないことによって、所望する組織を有するベイナイトが得られる最適な熱履歴（後記する［熱履歴設定手段１０］の説明参照）を速やかに求めることができる。このとき、ベイナイト以外の相の組織パラメータについての計算結果が、所望する特性を有する鋼材の特性に適しているか否かの判断は、予測システム１００のオペレータの裁量に任せることができ、ベイナイトが所望する組織であっても、ベイナイト以外の相によって所望する特性が十分に得られないと考えられる場合には、熱履歴設定手段１０において設定する熱履歴を変更して計算をやり直せばよい。
【００２１】
［熱履歴設定手段１０］
熱履歴設定手段１０は、冷却パターンである熱履歴を設定するものである。予測システム１００では、熱履歴設定手段１０によって、熱履歴を設定することができるようなっている。熱履歴とは、被処理対象物である鋼材に対して施される熱処理プロセスの条件（熱処理）である。オーステナイトからのベイナイトの形成は冷却過程で生じるために、ここで設定する熱履歴は、具体的には、冷却パターンである。熱履歴設定手段１０では、熱履歴を設定するためのプログラムを起動すると、表示装置に入力項目（例えば、温度、時間等）が表示されるようになっており、表示された入力項目に対してオペレータが入力手段を用いて所定の条件を入力することにより、熱履歴が作成される。こうして作成した熱履歴は記憶手段に記憶されるようになっている。
【００２２】
新しい熱履歴を作成した場合には、その熱履歴を組織パラメータの計算に用いるように設定することができ、また、過去に作成した熱履歴を記憶手段から呼び出して、組織パラメータの計算に用いるように設定することもできるようになっている。熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴は、熱力学パラメータ計算手段４０に送信されて、そこでの所定の時間及び温度での熱力学パラメータ（後記する［熱力学パラメータ計算手段４０］の説明参照）の計算に用いられる。また、熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴は、組織予測計算・判断手段６０に送信されて、その熱履歴を用いた際の組織パラメータの予測計算に用いられる。
【００２３】
熱履歴設定手段１０においては、設定可能な熱履歴は１つに限られず、複数の熱履歴を設定することができる。これにより、各熱履歴について求められた組織パラメータに基づいて、これらの中から最適な熱履歴を判断することができるようになっている。この判断は、目標値に対する計算結果の接近度により求めることができる。「接近度」は、例えば、目標値と計算結果との単純な差であってもよいし、目標値と計算結果との差を目標値で除した値であってもよい。複数の組織パラメータに対してそれぞれに目標値が設定されている場合には、各組織パラメータに対する重み付けを行って、総合的に目標値に対する計算結果の接近度を求めることができる。この接近度の判断は、これを判断するプログラムによって行ってもよいし、オペレータが行ってもよい。
【００２４】
［成分測定手段２０］
成分測定手段２０は、冷却前の鋼材に含まれる成分（例えば、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等）を測定するものであり、具体的には、赤外線吸収法、不活性ガス溶解法、発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法等により成分測定を行う。ここで測定した成分は、熱力学パラメータ計算手段４０に送信され、そこでの熱力学パラメータ（後記する［熱力学パラメータ計算手段４０］の説明参照）の計算に使用される。
【００２５】
［前工程の熱履歴測定手段３０］
前工程の熱履歴測定手段３０は、熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴の熱処理を施す前に鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定するものである。
つまり、「前工程」とは、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴の熱処理を施す前の熱処理、すなわち、熱間圧延や、焼鈍等での熱処理を指し、「熱履歴測定手段」とは、具体的には、放射温度計や接触温度計（例えば、熱電対）である。前工程の熱履歴測定手段３０で測定した熱履歴は、初期粒径等計算手段５０に送信されて、鋼材の前工程終了時（つまり、冷却開始時）におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径（以下「初期オーステナイト平均粒径等」という）を計算するために用いられる。なお、前工程である熱処理としては、オーステナイト単相域での熱処理や、オーステナイトと、フェライトとの二相域での熱処理が挙げられる。
【００２６】
［熱力学パラメータ計算手段４０］
熱力学パラメータ計算手段４０は、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴と、成分測定手段２０で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算するものである。ここで計算される熱力学パラメータは、フェライトおよびオーステナイト中の平衡の炭素量、フェライト変態の駆動力、パーライト変態の駆動力、無拡散変態の駆動力等である。これら熱力学パラメータの計算は、熱力学計算ソフト（例えば、スウェーデン王立工科大学が開発した“Thermo-Calc（登録商標）”を用いて行うことができる。
【００２７】
熱力学パラメータ計算手段４０は、これらの熱力学パラメータの計算に必要とされるデータが記憶されたデータベースを備えている。ここで求められた各熱力学パラメータは、組織予測計算・判断手段６０による組織パラメータの計算に用いられる。なお、熱力学パラメータ計算手段４０が具備するデータベースとしては、Thermo-Calc（登録商標）に含まれている“ＳＳＯＬ”等がある。そして、計算された組織パラメータは、組織予測計算・判断手段６０に送信される。
【００２８】
［初期粒径等計算手段５０］
初期粒径等計算手段５０は、前工程の熱履歴測定手段３０で測定された熱履歴に基づいて、鋼材の前工程終了時（冷却開始時）における初期オーステナイト平均粒径等を計算するものである。初期粒径等計算手段５０は、初期オーステナイト平均粒径等の計算に必要とされる各種のデータや熱力学パラメータが記憶されたデータベースを備えており、ここでの計算は、公知の計算式（例えば、CHARLIE R. BROOKS,“PRINCIPLES OF THE AUSTENNITIZATION OF STEELS”（ELSEVIER APPLIED SCIENCE発行）に記載の式１０．１〜１０．２）を用いて行うことができる。ここで求められた初期オーステナイト平均粒径等は、組織予測計算・判断手段６０に送信され、そこでの組織パラメータの計算に用いられる。
【００２９】
［組織予測計算・判断手段６０］
組織予測計算・判断手段６０は、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴と、熱力学パラメータ計算手段４０で計算された熱力学パラメータと、初期粒径等計算手段５０で計算された初期オーステナイト平均粒径等とに基づいて、組織パラメータを計算するものである。ここでは、ベイナイト相の組織パラメータを始め、ベイナイト以外の相の組織パラメータを、予め設定された所定の数式により演算することにより計算する。組織予測計算・判断手段６０は、これらの組織パラメータ計算に必要とされるデータが記憶されたデータベースを備えている。なお、これらの組織パラメータを導き出す過程で、種々のパラメータ（後記する＜ベイナイト変態計算＞の説明参照）が適宜求められ、計算に用いられる。
【００３０】
また、組織予測計算・判断手段６０は、目標値設定手段５で設定された組織パラメータの目標値と、前記の通りにして計算した組織パラメータとを対比して、計算された組織パラメータを与えた熱履歴が、鋼材の処理条件として適切か否かを判断する。さらに、組織予測計算・判断手段６０は、熱履歴が複数設定されている場合に、それらの中から、目標とする組織を有するベイナイト組織を得るために最適な熱履歴を求めることができる機能を有している。そして、計算された最適な熱履歴は、温度制御装置７０に送信される。
【００３１】
［温度制御装置７０］
温度制御装置７０は、製造ライン８０に設けられた加熱装置や冷却装置を制御するものである。組織予測計算・判断手段６０において求められた最適な熱履歴（冷却パターン）のデータが温度制御装置７０に送信され、温度制御装置７０は受信した熱履歴が実現されるように、熱履歴のデータに基づいて製造ライン８０の加熱装置と冷却装置を制御する。これにより、目標とするベイナイト組織を有する鋼材を製造することができる。
【００３２】
＜ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第１実施形態＞
図２に、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態に係る概略フローチャートを示す。図２に示すように、ベイナイト相の組織予測方法は、前記熱履歴設定手段１０による熱履歴の設定（熱履歴設定工程）、熱力学パラメータ計算手段４０による熱力学パラメータの計算、及び初期粒径等計算手段５０による初期オーステナイト平均粒径等の計算を行なう工程（各種設定・計算工程（ＳＴ２））と、組織予測計算・判断手段６０による組織パラメータの計算を行なう工程（組織パラメータ計算工程（ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ７））と、を備えている。また、ここでは、目標値設定手段５による目標値の設定を行う工程（目標値設定工程）を備える。
【００３３】
第１実施形態に係るベイナイト相の組織パラメータの計算では、まず、目標値設定手段５において、ベイナイト相の組織パラメータの目標値を設定する（ＳＴ１；目標値設定）。
【００３４】
続いて、熱履歴設定手段１０において複数の熱履歴を設定する。成分測定手段２０と前工程の熱履歴測定手段３０とでは、それぞれ、成分測定工程、及び、前工程の熱履歴測定工程として、所定の測定が行われていることを前提とし、熱力学パラメータ計算手段４０において、熱履歴設定手段１０で設定した熱履歴と成分測定手段２０で測定された成分とに基づいて熱力学パラメータを計算すると共に、初期粒径等計算手段５０において、前工程の熱履歴測定手段３０で測定した熱履歴に基づいて鋼材の初期オーステナイト平均粒径等を計算する（ＳＴ２；熱履歴設定、熱力学パラメータと初期オーステナイト平均粒径等の計算）。
【００３５】
続いて、ＳＴ２で設定した複数の熱履歴のうちの１つの熱履歴データと、ＳＴ２で求められた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、鋼材の基本組織であるフェライト相、パーライト相、ベイナイト相の組織パラメータ（フェライト分率、フェライト平均粒径及びフェライト粒の粒径分布、パーライト分率、パーライト平均粒径、ベイナイト分率、ブロックサイズ）を計算する（ＳＴ３；フェライト変態計算（フェライト変態計算工程）、ＳＴ４；パーライト変態計算（パーライト変態計算工程）、ＳＴ５；ベイナイト変態計算（ベイナイト変態計算工程））。このＳＴ５における計算方法については、後記する＜ベイナイト変態計算＞において詳細に説明する。
【００３６】
ベイナイト以外の相の組織パラメータの計算として、まず、ＳＴ３でフェライト、ＳＴ４でパーライト変態の計算を行う。フェライト変態では初期のオーステナイトの平均粒径、フェライト分率及びフェライト平均粒径からフェライト変態計算を行い、フェライト分率、フェライト平均粒径、フェライトの粒度分布等を計算する。ここでフェライト変態の計算には「特願２００９−１２１２８５」に記載の方法を用いても良い。フェライト変態で残存したオーステナイト（残留オーステナイト）の分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、設定された熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等とを用いて、パーライト相の組織パラメータであるパーライト分率とラメラ間隔とを計算する（ＳＴ４；パーライト変態計算）。
【００３７】
このＳＴ４における計算は、公知の計算方法（例えば、Minoru Umemoto etc., “Computer Modelling of Phase Transformation from Work-hardened Austenite”, ISIJ International, Vol. 32(1992), No.3, pp306-315）を用いて行うことができる。パーライト分率：ＶPは、前掲文献に記載されている式８〜２０を用いて計算することができる。
【００３８】
ＳＴ４の計算の後、フェライト変態とパーライト変態で残存した残留オーステナイトの分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、ＳＴ２で設定した熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、ベイナイト相の組織パラメータであるベイナイト分率及びブロックサイズを計算する（ＳＴ５；ベイナイト変態計算）。また、ＳＴ５では、ベイナイト変態で残存した領域が残留オーステナイト相であるとして、残留オーステナイト分率と残留オーステナイト中の炭素濃度を計算する。このベイナイト変態についての詳細は後記する。
【００３９】
続いて、ＳＴ５において求められた組織パラメータが、所望の特性を得るために必要な組織を表すものとしてＳＴ１で設定した目標値の範囲内に収まっているか否かを判断する（ＳＴ６；設定した目標値の範囲内か？（目標値範囲判断工程））。このＳＴ６の判断が“ＮＯ”の場合には、ＳＴ２で設定された全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータの計算が行われたか否かを判断する（ＳＴ８（組織パラメータ計算判断工程））。一方、このＳＴ６の判断が“ＹＥＳ”の場合には、マルテンサイト相の組織パラメータの計算に移る。
【００４０】
マルテンサイト相の組織パラメータの計算として、フェライト変態、パーライト変態、ベイナイト変態で残存した残留オーステナイトの分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、ＳＴ２で設定した熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、マルテンサイト相の組織パラメータであるマルテンサイト分率を計算する（ＳＴ７；マルテンサイト変態計算（マルテンサイト変態計算工程））。また、ＳＴ７では、マルテンサイト変態で残存した領域が残留オーステナイト相であるとして、残留オーステナイト分率と残留オーステナイト中の炭素濃度を計算する。
【００４１】
このＳＴ７では、マルテンサイト分率：ＶＭは、前掲文献に記載されている式３８〜３９を用いて計算することができ、ここでの残留オーステナイト分率は［１−Ｖf−ＶP−ＶB−ＶM］で求められ、残留オーステナイト中の炭素濃度は［Ｃ0／（１−Ｖf−ＶB−ＶM）］で求められる。
【００４２】
ＳＴ７終了後に、全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータを求めたか否かを判断する（ＳＴ８；全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータを求めたか？）。ＳＴ８の判断が“ＮＯ”の場合には、組織パラメータの計算に用いる熱履歴を変更してＳＴ３に戻り、ＳＴ３〜ＳＴ７が繰り返される。一方、ＳＴ８の判断が“ＹＥＳ”の場合には、ＳＴ２で設定した熱履歴のうち、ＳＴ６の判断が“ＹＥＳ”であった熱履歴の中から最適な熱履歴を判断し（ＳＴ９；最適な熱履歴の判断（最適熱履歴判断工程））、その熱履歴（最適熱履歴）と組織パラメータを表示手段に表示して（ＳＴ１０；最適熱履歴の表示（最適熱履歴表示工程））、処理を終了する。
【００４３】
なお、前記の通りに、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態では、フェライト変態計算、パーライト変態計算、マルテンサイト変態計算によって求めた組織パラメータについては目標値を定めないものとしたため、ＳＴ９において、フェライト相、パーライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相の各組織パラメータを、所望する組織が鋼材に実現されているか否かを判断するための副次的な判断材料として用いることができる。一方、これらの組織パラメータについてもＳＴ１にて目標値を設定し、この目標値と求められた結果との対比を行って（ＳＴ７とＳＴ８との間でこの対比と判断を行う）、最適な熱履歴を求めるようにしてもよい。
【００４４】
＜ベイナイト変態計算＞
次に、ベイナイト変態計算工程について説明する。図３にベイナイト変態計算（ＳＴ５）の内容を表したフローチャートを示す。また、図４にＳＴ１で設定した熱履歴（パターン）の一例を示す。図４に示すように、所定の熱履歴に対して、ベイナイト変態の挙動を微小時間の等温保持の繰り返しとして取り扱うために、熱履歴の時間を複数の微小な時間（Δｔ1，Δｔ2，・・・Δｔi，・・・、例えば０．１秒毎）に区切り、各時間（t1, t2・・・ti・・・）における温度を求める。さらに、計算に必要な各種の初期パラメータの設定を行なう（ＳＴ５１；微少時間と温度の設定，初期パラメータの設定）。
【００４５】
初期パラメータの設定では、まず、予め設定された所定の数式により、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点（ベイナイトの生成上限温度）を算出して確認し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率（以下「Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等」という）を計算（算出）する。
【００４６】
Ｂｓ点は、各ステップにおけるオーステナイト中の炭素量、合金元素量から無拡散変態の駆動力を算出し、これがある一定の値に達する時の温度をもってＢｓ点として算出する。無拡散変態の駆動力の算出は、例えば、熱力学パラメータ計算手段４０で使用した熱力学計算ソフトにより行うことができる。Ｂｓ点の基準となる無拡散変態の駆動力の値としては、４００〜６００ J/mol程度が適正と考えられており、その中で任意の値をとればよい。また、事前に実験により適正な値を決定すれば、さらに精度良く予測が可能となる。
【００４７】
Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等は、ＳＴ２で求められる「オーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径」を元にＳＴ３、ＳＴ４でフェライト、パーライト変態計算を行うことで、フェライト分率、フェライト平均粒径、パーライト分率を求める。オーステナイトの平均粒径は変態計算中に変化しないので、ＳＴ２で求められるオーステナイト平均粒径の値を用いる。
【００４８】
そして初期パラメータの設定では、フェライト、パーライト変態時に残留しているオーステナイト相の分率 Vγ(t0)、炭素量 Cγ0 [wt%]、単位体積あたりのベイナイトの核生成サイトとなる、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面（以下、「γ粒界又はα／γ界面等」という）の面積 Aγ[m2/m3]を求め、かつ、計算に必要なパラメータ Ksh1、Kγsh1、KAγ、Km、Ks、Δrを設定する。これらのパラメータについては、Ksh1は１×１０１１〜１×１０１３、Kγsh1は１×１０１２〜１×１０１４、KAγは０．１〜０．８、Kmは１〜２０、Ksは５０〜５００、Δrは０．０１〜０．２０の間の適当な値を設定すれば良いが、事前に対象とする材料を用いた基礎実験を実施し、結果と計算が合致するように各パラメータを設定すれば、より精度良く計算することが可能となる。
【００４９】
なお、ＳＴ５１で設定するパラメータは、ベイナイト変態計算時に時間、温度により変化しないパラメータが対象となっている。すなわち、ここでの初期パラメータとは、ベイナイト変態計算をする際に定数として取り扱うパラメータのことである。ここで、Ｃ0：鋼材の炭素濃度 [wt%]、Ｖf：フェライト分率、Ｖp：パーライト分率とすると、ここでの残留オーステナイト分率 Vγ（t0）は［１−Ｖf−ＶP］で求められ、残留オーステナイト中の炭素濃度Cγ0 [wt%]は［Ｃ0／（１−Ｖf）］で求められる。Aγは公知の計算方法（例えば、Minoru Umemoto etc., “Computer Modelling of Phase Transformation from Work-hardened Austenite”, ISIJ International, Vol. 32(1992), No.3, pp306-315））を元にＢｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等から算出すれば良く、例えば、式１から求められる。なお、この際、フェライト平均粒径を考慮することで精度を高めることができる。
【００５０】
【数１】
dγ：オーステナイト平均粒径（直径）[m]
【００５１】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）において、初期パラメータとして、温度、組織状態により変化するパラメータの計算を行なう（ＳＴ５２；時間ｔにおける初期パラメータ計算）。
ここでの初期パラメータの計算では、無拡散変態の駆動力 ΔGM（tn, Cγ*(tn)）[J/mol]を求める。無拡散変態の駆動力は、オーステナイト中の炭素量、及び、温度に依存して変化する。すなわち、時間が進行して温度や組織状態が変わると逐次、計算し直す必要がある。そのため、ＳＴ２で熱力学計算する際に、無拡散変態の駆動力と、オーステナイト中の炭素量及び温度との関係を数式若しくはデータベースとして求めておき、所定の時間における温度及びオーステナイト中の炭素量から、その数式若しくはデータベースを使って無拡散変態の駆動力を算出できるようにすれば良い。
【００５２】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）における微小時間（例えば = ti+1）中に形成されたベイナイトラス核の生成に関する計算を行う（ＳＴ５３；時間ｔにおけるベイナイトラス核生成計算）。
【００５３】
ここでは、前記計算した値、すなわちＢｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にγ粒界又はα／γ界面等から核生成したベイナイトラスの核生成数核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズ（すなわち、平均ブロックサイズ）を求める。すなわち、Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等や、これを用いて算出した各種の値や、設定した初期パラメータ等を用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求める。なお、Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等を用いる他、フェライト平均粒径を用いずに、Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びパーライト分率のみを用いることもできる。
具体的には、以下のとおりである。
【００５４】
ＳＴ５３での時間tnにおけるベイナイト変態の分率 Vbf(tn)は、式２、式３で表されるように、拡張体積率 Vbfex(tn)と、Ｂｓ点をきった時（Ｂｓ点到達時）のオーステナイト分率Vγ(t0)から求める。
ここで、所定時間において、各時間（微小時間毎）に形成されたブロック（ベイナイトラス）の数 Nγsh(tn)をブロックの数密度と定義する。そして所定の時間ｔ（例えば, = ti）における単位体積あたりのブロック（ベイナイトラス）の数 Nγsh(ti) [/m3]と、この１つのベイナイトラスから形成されたブロックの体積 Vsh(tn,ti) [m3]を掛け合わせ、各時間で掛け合わせたもの全てを足し合わせたものが拡張体積率である。
【００５５】
【数２】
【００５６】
次に、図５を参照してブロックの体積の成長について説明する。
図５において、符号１２ａは、時間tiにγ粒界上に形成したベイナイトラス、すなわち時間tiに形成されたブロックであり、符号１２ｂは、時間ti+1に既存のブロック１２ａ周囲に形成されたベイナイトラスであり、符号１３は、これらを足し合わせたブロックである。図５に示すように、時間ti+1におけるブロック１３の体積「Vsh(tn,ti)」は、前ステップ（時間ti）に形成されて既に存在しているブロック１２ａの体積「Vsh(ti,ti)」と、この既存のブロック１２ａの周囲に形成したベイナイトラス１２ｂの体積「Ish(ti+1)・Ash(ti,ti)・Vsu(ti+1)・Δti+1・exp(-Vbfex(ti))」を足し合わせたものである。このように、ブロックの体積 Vsh(tn,ti)は、既存のブロックの周囲にベイナイトラスが核生成しながら増加していくものである。すなわち、時間が経過するに従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長する。
その挙動は式４で求められる。
【００５７】
【数３】
Vsh(tn-1,ti)：前ステップでのブロックの体積 [m3]
Ish(tn)：既存のブロック周囲にベイナイトラスが単位面積・単位時間あたりに核生成する速度 [/m2 s]
Ash(tn-1,ti)：既存のブロックの周囲の面積 [m2]
Vsu(tn)：ベイナイトラス１個の体積 [m3]
Δtn：微小時間 [s]
exp(-Vbfex(tn-1))：変態可能な領域がブロック周囲に存在する確率（＝未変態γの体積）
【００５８】
ここで、ベイナイトラスは、１：Km：Kmの直方体として仮定（ここで、Kmは１以上の値）することで、ベイナイトラスの体積 Vsu(tn)は、ベイナイトラスの厚さ Wsh(tn) [m]から式５のように記述できる。
【００５９】
【数４】
【００６０】
ベイナイトラスの厚さ Wsh(tn)は、オーステナイトの強度 Sγ(tn) [MPa]、ベイナイト変態の駆動力 ΔGM(tn,Cγ* (tn)) [J/mol]に依存し、その導出式は非特許文献３に記載されている数式を元に最適化した式６〜８を使って求める。なお、ベイナイト変態の駆動力（＝無拡散変態の駆動力）はThermo- Calc（登録商標）等の熱力学計算ソフトにて計算することで求められる。
【００６１】
【数５】
Cγ* (tn)：未変態γ中の炭素量 [wt%]
Si，Mn：それぞれ、Si，Mnの添加量 [wt%]
T：温度 [℃]
【００６２】
ここで、ブロックはベイナイトラスと相似形で成長すると仮定する。その仮定を元にして、ブロックの周囲の面積 Ash(tn-1,ti) [m2]を式９で求めることができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
核生成速度 Ish(tn)は、ベイナイトラスの形態、ベイナイトラス−オーステナイト間の界面エネルギー σγ-sh [J/m2]、ベイナイト変態の駆動力 ΔGM(tn,Cγ* (tn)) [J/mol]と、本技術のポイントであるベイナイト変態時に発生する歪エネルギーΔGs(tn) [J/mol]を使って、式１１から、式１０のように求めることができる。
【００６５】
【数７】
Ksh1：フィッティングパラメータ
Qγc：オーステナイト中の炭素の拡散の活性化エネルギー [J/mol]
ΔGα→αB*：エンブリオ形成の活性化エネルギー [J/mol]
Vｍ：鉄のモル体積 ７．０９×１０−６ [m3/mol]
Na：アボガドロ数 ６．０２×１０２３ [/mol]
【００６６】
歪エネルギー ΔGs(tn)は、（１）密度の高いオーステナイトから密度の低い（つまり体積が大きい）ベイナイトが形成されることでオーステナイト側に発生する歪エネルギーと、（２）フェライト中に発生する歪エネルギー、及び、（３）格子不変変形に必要な双晶若しくは転位のエネルギー、の総和である。この中で、オーステナイト側に発生する歪エネルギーについて、ベイナイト変態に伴うオーステナイトへの炭素濃化によりオーステナイト強度が向上し、歪エネルギーの寄与が大きくなることを考慮することで、ベイナイト分率の予測精度を高めることができる。また、ベイナイト中に発生する歪エネルギーや、格子不変変形に必要な双晶や転位のエネルギーも考慮すべきだが、こちらについては定数KSとして考慮する。すなわち、歪エネルギー ΔGs(tn)は、式１２のように求める。
【００６７】
【数８】
Δr：オーステナイトからベイナイトに変態する変態時の膨張率
Sγ(tn)：オーステナイト強度[MPa]
【００６８】
ブロックの数 Nγsh(tn)については、従来考慮されているγ粒界又はα／γ界面等が消費される効果に加え、γ粒界又はα／γ界面等のうち、界面核生成サイトとして寄与できる領域を限定すること及びパラメータ KAγを導入することで、ベイナイト変態の進行速度を妥当にすることが可能になる。すなわち、ブロックの数 Nγsh(tn)は、式１３〜１５で求める。
【００６９】
【数９】
Aγ：γ粒界又はα／γ界面等の面積 [m2]
Iγsh(tn)：γ粒界又はα／γ界面等での核生成速度 [/m2 s]
Aγgbsh(tn,ti)：既存のブロックにより占有されて核生成能力を失ったγ粒界又はα／γ界面等の面積 [m2]
Kγsh1：フィッティングパラメータ
【００７０】
次に、平均ブロックサイズを求める。
ベイナイト分率 Vbf(tn)をブロックの数 Nγsh(tn)で割ることで、ブロック１個あたりの平均体積 Vavsh(tn) [m3]を求め、式１６から円相当径（半径） ravsh(tn) [μｍ]を算出し、それを平均ブロックサイズとする。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
以上のように、ベイナイトラスの増加によるベイナイト変態の進行挙動を、式１３においてオーステナイト粒界からブロックが形成される挙動からブロックの数Nγsh(tn)を求める工程と、式４に示す既存のブロックの成長挙動からブロックのサイズVsh(tn,ti)を求める工程に分離させ、これを式２、式３において各時間に形成されたブロックの数と体積を微小時間毎に乗じたものを全て足し合わせて求めた拡張体積率から変換することでベイナイト分率を求めると共に、式１６においてベイナイト分率およびブロックの数から平均ブロックサイズを求める。その際、式１０、１５において、それぞれKsh1と、Kγsh1を用いることで、既存のベイナイトラスからの核生成速度とγ粒界又はα／γ界面等での核生成速度を区別している。
すなわち、（１）Ish(tn)と、Iγsh(tn)を別に計算することで、γ粒界又はα／γ界面等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算している。
【００７３】
また、（２）式１３において、KAγを用いることで、従来考慮されていた、ベイナイト変態の進行に伴うγ粒界又はα／γ界面等の減少を考慮することに加え、ベイナイトラスの核生成サイトであるγ粒界又はα／γ界面等のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算している。
【００７４】
また、従来は、「ΔGs(tn)＝４００〜６００ J/mol」と一定値を使用していたものを、（３）式１２を用いることで、オーステナイト粒内における炭素量の増加によるベイナイト変態の駆動力の低下を考慮することに加え、前記炭素量の増加によりオーステナイトの強度が上昇し、この強度の上昇によってベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大することに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算している。
このように、本発明は（１）〜（３）の事項を適用してベイナイト分率及びブロックサイズ（平均ブロックサイズ）を求めることにより、ベイナイト分率及びブロックサイズ（平均ブロックサイズ）の正確な予測を行うと共に、これらの値をより正確に計算することができる。
【００７５】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）における微小時間（例えば = ti+1）中に形成されたセメンタイトの挙動に関する計算を行う（ＳＴ５４；時間ｔにおけるセメンタイトの形成挙動計算）。ここでは、非特許文献３等に見られるセメンタイトの形成速度に関する計算式を用いることで計算してもよい。
【００７６】
続いて、ベイナイト変態の終了を検討する（ＳＴ５５；ベイナイト変態が終了したか？）。ベイナイト変態の終了を判断する手法としては、オーステナイト中の炭素量及び温度から無拡散変態の駆動力を算出し、その値が一定値に達するという条件を満たす場合（ＳＴ５５の判断が“ＹＥＳ”の場合）はベイナイト変態計算を終了し、満たさない場合（ＳＴ５５の判断が“ＮＯ”の場合）は微小時間ｔｉを経過させ次のステップのベイナイト変態計算に戻る。この時、ベイナイト変態終了となる無拡散変態の駆動力の値としては、８００から２０００ J／molの間の適当な値を用いれば良い。
【００７７】
＜ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第２実施形態＞
図６にベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第２実施形態に係る概略フローチャートを示す。図６を図２と対比すると明らかなように、この第２実施形態では、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態で行った“ＳＴ１；目標値設定”を行わず、その結果、“ＳＴ６；設定した目標値の範囲内か？”の判断をも行うことなく、ＳＴ１０１〜１０６として、ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４，ＳＴ５，ＳＴ７，ＳＴ８と同じ処理を行い、その後、ＳＴ１０１〜１０６で求めた組織パラメータの表示を行って（ＳＴ１０７；組織パラメータの表示）、処理を終了する。ここで、ＳＴ１０１で複数の熱履歴が設定されている場合には、ＳＴ１０７では熱履歴毎に組織パラメータが表示される。
【００７８】
予測システム１００のオペレータは、得られた組織パラメータを対比して最適な熱履歴を選択し、選択された熱履歴を温度制御装置７０に送ることによって、製造ライン８０を制御することができる。また、所望する組織パラメータが得られていない場合や、先に設定した熱履歴の変更によってより適切な組織パラメータが得られると考えられる場合には、再度、ＳＴ１０１からの処理を行うことができる。
【実施例】
【００７９】
次に、本発明に係る実施例について説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものでない。
本実施例においては、鋼材におけるベイナイト分率及びブロックサイズについて、実際のベイナイト変態挙動における実測値と、本発明のベイナイト相の組織予測方法により算出したものとを対比した。
【００８０】
実際のベイナイト変態挙動における測定は、以下のように行なった。まず、０．１８質量％Ｃ−１．３５質量％Ｓｉ−２．００質量％Ｍｎの組成を有する鋼材を、９３０℃に加熱した後、４７５℃のソルトバスに浸漬し、表２、３に示す各時間保持したのち急冷して試料を作製した。この試料を鏡面に研磨した後、３％ナイタールで腐食して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で組織観察をして、ベイナイト分率を測定した。また、ブロックサイズについては、後方散乱回折像（ＥＢＳＤ）を用いて方位差１５°以上の大傾角粒界に囲まれた領域をブロックと定義し、その面積を画像解析で測定し、そこから円相当径（半径）を求めて、これをブロックサイズと定義した。なお、ブロックサイズは、ブロック１個あたりの平均ブロックサイズである。
【００８１】
ベイナイト相の組織予測方法は、前記した実施形態に従う方法により行った。ここで、本実施例では、前記したベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第２実施形態（適宜、図６参照）に従って、ベイナイト相の組織パラメータについて目標値を定めないこととした。そして以下の条件で計算を行った。
【００８２】
熱履歴として、以下の条件を設定した。
鋼材が９３０℃に加熱された後に、５０℃／ｓの一定冷却速度で４７５℃まで冷却される。なお、冷却過程においては、フェライト、パーライト変態計算領域を通過するが、各組織の分率はほぼゼロのままＢｓ点を切るので、以後、本評価においては無視する。その後、４７５℃で表２、３に示す各時間保持された後、５０℃／ｓの冷却速度で２００℃まで冷却される条件とした。
【００８３】
鋼材の成分は、０．１８質量％Ｃ−１．３５質量％Ｓｉ−２．００質量％Ｍｎとし、オーステナイト粒径は、２０μｍとした。
また、フェライトおよびオーステナイト中の平衡の炭素量、フェライト変態の駆動力、パーライト変態の駆動力、無拡散変態の駆動力等は、熱力学データベースとして、前記した熱力学計算ソフト“Thermo-Calc（登録商標）”を用いて算出した（database名 SSOL）。その上で、前記した実施形態に従う方法により、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めた。
【００８４】
ここで、計算諸条件のうち、その一部を表１に示す条件に設定した。
（１）は、γ粒界又はα／γ界面等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイト周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算したものである。
（２）は、ベイナイトラスの核生成サイトであるγ粒界又はα／γ界面等のうち、界面核生成サイトとして寄与できる領域を限定し、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少する挙動を考慮して計算したものである。
（３）は、オーステナイト粒内における炭素量の増加によって、ベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大することに伴い、ベイナイトラスの核生成速度が変化する挙動を考慮して計算したものである。
【００８５】
【表１】
【００８６】
これらの結果について、ベイナイト分率の測定結果及び算出結果、ブロックサイズの測定結果及び算出結果をそれぞれ表２、３に示す。なお、表３において、「−」は、実測を行なっていないもの、及び、そのため誤差が算出できないものである。
ここで、ベイナイト分率については、誤差が「±１０％以下」、ブロックサイズについては、誤差が「±０．２５μｍ以下」のものについて、計算結果が適切であると判断した。
【００８７】
【表２】
【００８８】
【表３】
【００８９】
表２、３に示すように、ケース１では、全ての条件を適正に考慮しているので好ましい結果が得られている。
ケース２では、γ粒界からの核生成と既存ブロック周囲からの核生成を区別していないため、ブロックの成長挙動を適正に計算できない。そのため、ブロックサイズの計算結果が適切でない。また、中間段階のベイナイト分率の予測精度も悪い。
ケース３では、γ粒界全面を核生成サイトとすることでγ粒界からの核生成を過剰に、また既存ブロック周囲からの核生成を過少に計算するため、ブロックの成長挙動を適正に計算できない。そのため、ブロックサイズの計算結果が適切でない。また、中間段階のベイナイト分率の予測精度も悪い。
ケース４では、オーステナイトへの炭素濃化に伴う歪エネルギーの効果を考慮しないため、変態中・後期の変態挙動を過大に計算するものである。そのため、ベイナイト分率の予測精度が悪い。
【００９０】
以上、本発明について実施の形態及び実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１ オーステナイト粒（γ粒）
２ ベイナイトラス（sub-unit）
３ ブロック（sheaf）
５ 目標値設定手段
１０ 熱履歴設定手段
２０ 成分測定手段
３０ 前工程の熱履歴測定手段（前工程熱履歴測定手段）
４０ 熱力学パラメータ計算手段
５０ 初期粒径等計算手段
６０ 組織予測計算・判断手段
７０ 温度制御装置
８０ 製造ライン
１００ 予測システム
２００ ベイナイト相の組織（ベイナイト組織）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼材料の特性の支配的な組織であるベイナイト相の組織形態を精度よく予測するためのベイナイト相の組織予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱間圧延材や冷間圧延材、溶接金属の鉄鋼材料の特性のばらつきを抑制するために、また、鋼材の特性を製造段階で物理評価を行うことなく予測するために、材質予測技術が利用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、ベイナイト変態モデルを含んだ材質予測モデルを用いて、残留オーステナイト組織を有する高強度熱延鋼板を、安定かつ確実に製造するための製造方法が開示されている。また、特許文献２には、ベイナイト変態予測を含む変態モデルと共に、初期状態モデル、熱間加工モデル、析出モデル、熱処理モデル及び組織−材質モデルからなる材質予測方法を用いて、厚鋼板等の組織や材質を製造段階で予測することによって、要求される材質仕様を確実に実現する方法が開示されている。
【０００４】
鋼板の特性（材質特性）に大きな影響を与える組織としてベイナイト組織（ベイナイト相の組織）があり、このベイナイト組織形態（例えば、ベイナイト分率（体積率）やブロックサイズ、セメンタイト分率）を的確に予測することは極めて重要である。ここで、図７に示すように、ベイナイト組織２００は、オーステナイト（あるいは旧オーステナイト）粒（γ粒）１内に、ベイナイトラス若しくはsub-unitと呼ばれる組織を最小単位とし、ブロック若しくはsheafと呼ばれる、方位のそろったベイナイトラス（sub-unit）２の集合した領域（ブロック（sheaf）３）から構成されている（例えば、非特許文献１，２参照）。ベイナイト組織は、オーステナイトが存在する高温域からの冷却過程においてベイナイトラスが核生成していくことで形成されると考えられるため、冷却過程における微小時間においては等温変態が生じるものとみなして、等温変態におけるベイナイトラスの核生成速度を用いて予測計算され、このような予測計算は、理論的、実験的に解明されている（例えば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１３０３１８号公報
【特許文献２】特開平５−８７８００号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】牧正志 : まてりあ, 42 (2007), pp.321.
【非特許文献２】H.K.D.H.Bhadesia : "Bainite in Steels", THE INSTITUTE OF MATERIALS, pp.125.
【非特許文献３】M.AZuma et al.:ISIJ International, 45 (2005), pp.221.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の材質予測方法では、ベイナイト分率を予測することはできるが、鋼板の延性や靭性等に影響すると考えられるブロックサイズを計算することができないという問題がある。また、ベイナイト分率の予測精度についても、従来モデルでは不十分である。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、ベイナイト分率を精度良く予測すると共にブロックサイズを予測し、これらを算出することができるベイナイト相の組織予測方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のベイナイト相の組織予測方法は、オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズを予測システムにより計算するベイナイト相の組織予測方法であって、前記予測システムは、前記冷却パターンである熱履歴を設定する熱履歴設定手段と、前記冷却前の鋼材に含まれる成分を測定する成分測定手段と、前記熱履歴設定手段において設定された熱履歴の熱処理を施す前に前記鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定する前工程熱履歴測定手段と、前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記成分測定手段で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する熱力学パラメータ計算手段と、前記前工程熱履歴測定手段で測定された熱履歴に基づいて、前記鋼材の冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径を計算する初期粒径等計算手段と、前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記熱力学パラメータ計算手段で計算された熱力学パラメータと、前記初期粒径等計算手段で計算されたオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径とに基づいて、組織パラメータを計算する組織予測計算・判断手段と、を備える。
【００１０】
そして、前記組織予測計算・判断手段は、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点を算出し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率を計算し、この計算した値に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面から核生成したベイナイトラスの核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求めるベイナイト変態計算工程を有する。
【００１１】
そして、前記ベイナイト変態計算工程では、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、オーステナイト粒内における炭素量の増加によりベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大するのに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求める。
ここで、本発明において最終的に求めるブロックサイズは、後記するように、ブロック１個あたりの平均体積から円相当径を算出することにより求めた平均のブロックサイズ（平均ブロックサイズ）である。
【００１２】
このような構成によれば、予測システムが、熱履歴設定手段と、成分測定手段と、前工程熱履歴測定手段（以下、前工程の熱履歴測定手段ともいう）と、熱力学パラメータ計算手段と、初期粒径等計算手段と、組織予測計算・判断手段と、を備えることで、ベイナイト相の組織について、より正確な予測を行なうことができる。特に、ベイナイト変態計算工程において、（１）オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラス（ベイニティックフェライト）の核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別すること、（２）核生成サイトにおいて、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少する挙動を考慮すること、（３）オーステナイト粒内における炭素量の増加による歪エネルギーの増大に伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化することを考慮すること、により、ベイナイト相の組織におけるベイナイト分率とブロックサイズについてより正確な予測を行うことができる。
なお、ベイナイトとは一般にベイナイトラスと、セメンタイト若しくは残留オーステナイトとの混合組織を指しているが、ここでのベイナイト分率とはベイナイトラスの分率と定義する。また、ベイナイトラスの核生成サイトとは、ベイナイトラス核が生成する際に必要となる生成の場である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、亜共析組成の鋼材のベイナイト組織について、ベイナイト分率及びブロックサイズの正確な予測を行うと共に、これらの値をより正確に計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ベイナイト相の組織予測方法を実行するための予測システムの概略ブロック図である。
【図２】ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）の第１実施形態に係る概略フローチャートである。
【図３】ベイナイト変態計算（ＳＴ５）の内容を示すフローチャートである。
【図４】ＳＴ２で設定した熱履歴（パターン）の一例を示す模式図である。
【図５】ブロックの体積の成長について説明するための模式図である。
【図６】ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）の第２実施形態に係る概略フローチャートである。
【図７】ベイナイト相の組織の構成について示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
＜システム構成＞
図１にベイナイト相の組織予測方法を実行するための予測システムの概略ブロック図を示す。まず、鋼材の製造方法の一例としては、所定組成を有する合金を溶解、鋳造して製造された鋳塊を熱間圧延し、その後、所定条件で冷却する方法が挙げられる。
この予測システム１００は、オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材のベイナイト組織（ベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズ）についての知見を得るものである。すなわち、前記冷却とは、（１）オーステナイト単相温度、（２）オーステナイトと、フェライトとの二相温度のいずれかの温度からの冷却である。
【００１６】
そして、予測システム１００は、目標値設定手段５と、熱履歴設定手段１０と、成分測定手段２０と、前工程の熱履歴測定手段（前工程熱履歴測定手段）３０と、熱力学パラメータ計算手段４０と、初期粒径等計算手段５０と、組織予測計算・判断手段６０と、を備えている。そして、組織予測計算・判断手段６０は、鋼板等の製造ライン８０が具備する温度制御装置７０との間でデータ（信号）の送受信を行うことができるようになっている。
なお、後記するように、目標値設定手段５による目標値の設定は行なわないこととしてもよく（「ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第２実施形態」参照）、また目標値設定手段５を備えない構成としてもよいが、ここでは目標値設定手段５を備え、目標値を設定するものとして説明する。
【００１７】
予測システム１００は、所謂、コンピュータであり、前記した各手段は、所定のデータ等を入力する入力手段（例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等）と、入力データや計算結果等を表示する表示手段（例えば、液晶ディスプレイ等）と、オペレーティングシステムプログラムや各種の計算プログラムや、計算に用いるデータ及び計算結果データ等を記憶・保存している記憶手段（例えば、ハードディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ等）と、計算プログラム等を実行する演算手段（ＣＰＵ）と、これらの手段同士の間でデータを通信するデータ通信手段（システムバス）等と共に構成されており、その動作態様は一般的なパーソナルコンピュータと同様である。なお、これらの各手段については図示しない。
【００１８】
［目標値設定手段５］
目標値設定手段５は、目標とするベイナイト相の組織を規定するパラメータ（以下、所定の相の組織を規定するパラメータを「組織パラメータ」という）であるベイナイト分率及びブロックサイズの目標値を定めるものである。また、ベイナイト相以外の相、例えば、残留オーステナイト、パーライト、フェライト、マルテンサイトの各相についても、所定の組織パラメータ（例えば、パーライト分率、ラメラ間隔、フェライト分率、残留オーステナイト分率、残留オーステナイト中の炭素濃度等）の目標値を設定することができる。これらの組織パラメータには、一定の許容範囲を設けることができるようになっている。
【００１９】
予測システム１００のオペレータは、各組織パラメータを設定するためのプログラム（予測システム１００には各種計算に用いるソフトウエアがインストールされていることを前提とする）を起動し、入力手段を通じて、それぞれの目標値を設定することができる。この目標値は、組織予測計算・判断手段６０に送信される。
【００２０】
なお、ここではベイナイト相の組織パラメータ以外の組織パラメータの設定は任意である。後記するように予測システム１００では、ベイナイト以外の相の組織パラメータを計算することができるようになっているが、ベイナイト以外の相の組織パラメータについては目標値を定めないことによって、所望する組織を有するベイナイトが得られる最適な熱履歴（後記する［熱履歴設定手段１０］の説明参照）を速やかに求めることができる。このとき、ベイナイト以外の相の組織パラメータについての計算結果が、所望する特性を有する鋼材の特性に適しているか否かの判断は、予測システム１００のオペレータの裁量に任せることができ、ベイナイトが所望する組織であっても、ベイナイト以外の相によって所望する特性が十分に得られないと考えられる場合には、熱履歴設定手段１０において設定する熱履歴を変更して計算をやり直せばよい。
【００２１】
［熱履歴設定手段１０］
熱履歴設定手段１０は、冷却パターンである熱履歴を設定するものである。予測システム１００では、熱履歴設定手段１０によって、熱履歴を設定することができるようなっている。熱履歴とは、被処理対象物である鋼材に対して施される熱処理プロセスの条件（熱処理）である。オーステナイトからのベイナイトの形成は冷却過程で生じるために、ここで設定する熱履歴は、具体的には、冷却パターンである。熱履歴設定手段１０では、熱履歴を設定するためのプログラムを起動すると、表示装置に入力項目（例えば、温度、時間等）が表示されるようになっており、表示された入力項目に対してオペレータが入力手段を用いて所定の条件を入力することにより、熱履歴が作成される。こうして作成した熱履歴は記憶手段に記憶されるようになっている。
【００２２】
新しい熱履歴を作成した場合には、その熱履歴を組織パラメータの計算に用いるように設定することができ、また、過去に作成した熱履歴を記憶手段から呼び出して、組織パラメータの計算に用いるように設定することもできるようになっている。熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴は、熱力学パラメータ計算手段４０に送信されて、そこでの所定の時間及び温度での熱力学パラメータ（後記する［熱力学パラメータ計算手段４０］の説明参照）の計算に用いられる。また、熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴は、組織予測計算・判断手段６０に送信されて、その熱履歴を用いた際の組織パラメータの予測計算に用いられる。
【００２３】
熱履歴設定手段１０においては、設定可能な熱履歴は１つに限られず、複数の熱履歴を設定することができる。これにより、各熱履歴について求められた組織パラメータに基づいて、これらの中から最適な熱履歴を判断することができるようになっている。この判断は、目標値に対する計算結果の接近度により求めることができる。「接近度」は、例えば、目標値と計算結果との単純な差であってもよいし、目標値と計算結果との差を目標値で除した値であってもよい。複数の組織パラメータに対してそれぞれに目標値が設定されている場合には、各組織パラメータに対する重み付けを行って、総合的に目標値に対する計算結果の接近度を求めることができる。この接近度の判断は、これを判断するプログラムによって行ってもよいし、オペレータが行ってもよい。
【００２４】
［成分測定手段２０］
成分測定手段２０は、冷却前の鋼材に含まれる成分（例えば、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｍｏ等）を測定するものであり、具体的には、赤外線吸収法、不活性ガス溶解法、発光分光分析法、蛍光Ｘ線分析法等により成分測定を行う。ここで測定した成分は、熱力学パラメータ計算手段４０に送信され、そこでの熱力学パラメータ（後記する［熱力学パラメータ計算手段４０］の説明参照）の計算に使用される。
【００２５】
［前工程の熱履歴測定手段３０］
前工程の熱履歴測定手段３０は、熱履歴設定手段１０において設定された熱履歴の熱処理を施す前に鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定するものである。
つまり、「前工程」とは、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴の熱処理を施す前の熱処理、すなわち、熱間圧延や、焼鈍等での熱処理を指し、「熱履歴測定手段」とは、具体的には、放射温度計や接触温度計（例えば、熱電対）である。前工程の熱履歴測定手段３０で測定した熱履歴は、初期粒径等計算手段５０に送信されて、鋼材の前工程終了時（つまり、冷却開始時）におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径（以下「初期オーステナイト平均粒径等」という）を計算するために用いられる。なお、前工程である熱処理としては、オーステナイト単相域での熱処理や、オーステナイトと、フェライトとの二相域での熱処理が挙げられる。
【００２６】
［熱力学パラメータ計算手段４０］
熱力学パラメータ計算手段４０は、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴と、成分測定手段２０で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算するものである。ここで計算される熱力学パラメータは、フェライトおよびオーステナイト中の平衡の炭素量、フェライト変態の駆動力、パーライト変態の駆動力、無拡散変態の駆動力等である。これら熱力学パラメータの計算は、熱力学計算ソフト（例えば、スウェーデン王立工科大学が開発した“Thermo-Calc（登録商標）”を用いて行うことができる。
【００２７】
熱力学パラメータ計算手段４０は、これらの熱力学パラメータの計算に必要とされるデータが記憶されたデータベースを備えている。ここで求められた各熱力学パラメータは、組織予測計算・判断手段６０による組織パラメータの計算に用いられる。なお、熱力学パラメータ計算手段４０が具備するデータベースとしては、Thermo-Calc（登録商標）に含まれている“ＳＳＯＬ”等がある。そして、計算された組織パラメータは、組織予測計算・判断手段６０に送信される。
【００２８】
［初期粒径等計算手段５０］
初期粒径等計算手段５０は、前工程の熱履歴測定手段３０で測定された熱履歴に基づいて、鋼材の前工程終了時（冷却開始時）における初期オーステナイト平均粒径等を計算するものである。初期粒径等計算手段５０は、初期オーステナイト平均粒径等の計算に必要とされる各種のデータや熱力学パラメータが記憶されたデータベースを備えており、ここでの計算は、公知の計算式（例えば、CHARLIE R. BROOKS,“PRINCIPLES OF THE AUSTENNITIZATION OF STEELS”（ELSEVIER APPLIED SCIENCE発行）に記載の式１０．１〜１０．２）を用いて行うことができる。ここで求められた初期オーステナイト平均粒径等は、組織予測計算・判断手段６０に送信され、そこでの組織パラメータの計算に用いられる。
【００２９】
［組織予測計算・判断手段６０］
組織予測計算・判断手段６０は、熱履歴設定手段１０で設定された熱履歴と、熱力学パラメータ計算手段４０で計算された熱力学パラメータと、初期粒径等計算手段５０で計算された初期オーステナイト平均粒径等とに基づいて、組織パラメータを計算するものである。ここでは、ベイナイト相の組織パラメータを始め、ベイナイト以外の相の組織パラメータを、予め設定された所定の数式により演算することにより計算する。組織予測計算・判断手段６０は、これらの組織パラメータ計算に必要とされるデータが記憶されたデータベースを備えている。なお、これらの組織パラメータを導き出す過程で、種々のパラメータ（後記する＜ベイナイト変態計算＞の説明参照）が適宜求められ、計算に用いられる。
【００３０】
また、組織予測計算・判断手段６０は、目標値設定手段５で設定された組織パラメータの目標値と、前記の通りにして計算した組織パラメータとを対比して、計算された組織パラメータを与えた熱履歴が、鋼材の処理条件として適切か否かを判断する。さらに、組織予測計算・判断手段６０は、熱履歴が複数設定されている場合に、それらの中から、目標とする組織を有するベイナイト組織を得るために最適な熱履歴を求めることができる機能を有している。そして、計算された最適な熱履歴は、温度制御装置７０に送信される。
【００３１】
［温度制御装置７０］
温度制御装置７０は、製造ライン８０に設けられた加熱装置や冷却装置を制御するものである。組織予測計算・判断手段６０において求められた最適な熱履歴（冷却パターン）のデータが温度制御装置７０に送信され、温度制御装置７０は受信した熱履歴が実現されるように、熱履歴のデータに基づいて製造ライン８０の加熱装置と冷却装置を制御する。これにより、目標とするベイナイト組織を有する鋼材を製造することができる。
【００３２】
＜ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第１実施形態＞
図２に、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態に係る概略フローチャートを示す。図２に示すように、ベイナイト相の組織予測方法は、前記熱履歴設定手段１０による熱履歴の設定（熱履歴設定工程）、熱力学パラメータ計算手段４０による熱力学パラメータの計算、及び初期粒径等計算手段５０による初期オーステナイト平均粒径等の計算を行なう工程（各種設定・計算工程（ＳＴ２））と、組織予測計算・判断手段６０による組織パラメータの計算を行なう工程（組織パラメータ計算工程（ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ７））と、を備えている。また、ここでは、目標値設定手段５による目標値の設定を行う工程（目標値設定工程）を備える。
【００３３】
第１実施形態に係るベイナイト相の組織パラメータの計算では、まず、目標値設定手段５において、ベイナイト相の組織パラメータの目標値を設定する（ＳＴ１；目標値設定）。
【００３４】
続いて、熱履歴設定手段１０において複数の熱履歴を設定する。成分測定手段２０と前工程の熱履歴測定手段３０とでは、それぞれ、成分測定工程、及び、前工程の熱履歴測定工程として、所定の測定が行われていることを前提とし、熱力学パラメータ計算手段４０において、熱履歴設定手段１０で設定した熱履歴と成分測定手段２０で測定された成分とに基づいて熱力学パラメータを計算すると共に、初期粒径等計算手段５０において、前工程の熱履歴測定手段３０で測定した熱履歴に基づいて鋼材の初期オーステナイト平均粒径等を計算する（ＳＴ２；熱履歴設定、熱力学パラメータと初期オーステナイト平均粒径等の計算）。
【００３５】
続いて、ＳＴ２で設定した複数の熱履歴のうちの１つの熱履歴データと、ＳＴ２で求められた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、鋼材の基本組織であるフェライト相、パーライト相、ベイナイト相の組織パラメータ（フェライト分率、フェライト平均粒径及びフェライト粒の粒径分布、パーライト分率、パーライト平均粒径、ベイナイト分率、ブロックサイズ）を計算する（ＳＴ３；フェライト変態計算（フェライト変態計算工程）、ＳＴ４；パーライト変態計算（パーライト変態計算工程）、ＳＴ５；ベイナイト変態計算（ベイナイト変態計算工程））。このＳＴ５における計算方法については、後記する＜ベイナイト変態計算＞において詳細に説明する。
【００３６】
ベイナイト以外の相の組織パラメータの計算として、まず、ＳＴ３でフェライト、ＳＴ４でパーライト変態の計算を行う。フェライト変態では初期のオーステナイトの平均粒径、フェライト分率及びフェライト平均粒径からフェライト変態計算を行い、フェライト分率、フェライト平均粒径、フェライトの粒度分布等を計算する。ここでフェライト変態の計算には「特願２００９−１２１２８５」に記載の方法を用いても良い。フェライト変態で残存したオーステナイト（残留オーステナイト）の分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、設定された熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等とを用いて、パーライト相の組織パラメータであるパーライト分率とラメラ間隔とを計算する（ＳＴ４；パーライト変態計算）。
【００３７】
このＳＴ４における計算は、公知の計算方法（例えば、Minoru Umemoto etc., “Computer Modelling of Phase Transformation from Work-hardened Austenite”, ISIJ International, Vol. 32(1992), No.3, pp306-315）を用いて行うことができる。パーライト分率：ＶPは、前掲文献に記載されている式８〜２０を用いて計算することができる。
【００３８】
ＳＴ４の計算の後、フェライト変態とパーライト変態で残存した残留オーステナイトの分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、ＳＴ２で設定した熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、ベイナイト相の組織パラメータであるベイナイト分率及びブロックサイズを計算する（ＳＴ５；ベイナイト変態計算）。また、ＳＴ５では、ベイナイト変態で残存した領域が残留オーステナイト相であるとして、残留オーステナイト分率と残留オーステナイト中の炭素濃度を計算する。このベイナイト変態についての詳細は後記する。
【００３９】
続いて、ＳＴ５において求められた組織パラメータが、所望の特性を得るために必要な組織を表すものとしてＳＴ１で設定した目標値の範囲内に収まっているか否かを判断する（ＳＴ６；設定した目標値の範囲内か？（目標値範囲判断工程））。このＳＴ６の判断が“ＮＯ”の場合には、ＳＴ２で設定された全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータの計算が行われたか否かを判断する（ＳＴ８（組織パラメータ計算判断工程））。一方、このＳＴ６の判断が“ＹＥＳ”の場合には、マルテンサイト相の組織パラメータの計算に移る。
【００４０】
マルテンサイト相の組織パラメータの計算として、フェライト変態、パーライト変態、ベイナイト変態で残存した残留オーステナイトの分率と、残留オーステナイト中の炭素濃度と、ＳＴ２で設定した熱履歴と、ＳＴ２で求めた熱力学パラメータ及び初期オーステナイト平均粒径等を用いて、マルテンサイト相の組織パラメータであるマルテンサイト分率を計算する（ＳＴ７；マルテンサイト変態計算（マルテンサイト変態計算工程））。また、ＳＴ７では、マルテンサイト変態で残存した領域が残留オーステナイト相であるとして、残留オーステナイト分率と残留オーステナイト中の炭素濃度を計算する。
【００４１】
このＳＴ７では、マルテンサイト分率：ＶＭは、前掲文献に記載されている式３８〜３９を用いて計算することができ、ここでの残留オーステナイト分率は［１−Ｖf−ＶP−ＶB−ＶM］で求められ、残留オーステナイト中の炭素濃度は［Ｃ0／（１−Ｖf−ＶB−ＶM）］で求められる。
【００４２】
ＳＴ７終了後に、全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータを求めたか否かを判断する（ＳＴ８；全ての熱履歴に対してベイナイト相の組織パラメータを求めたか？）。ＳＴ８の判断が“ＮＯ”の場合には、組織パラメータの計算に用いる熱履歴を変更してＳＴ３に戻り、ＳＴ３〜ＳＴ７が繰り返される。一方、ＳＴ８の判断が“ＹＥＳ”の場合には、ＳＴ２で設定した熱履歴のうち、ＳＴ６の判断が“ＹＥＳ”であった熱履歴の中から最適な熱履歴を判断し（ＳＴ９；最適な熱履歴の判断（最適熱履歴判断工程））、その熱履歴（最適熱履歴）と組織パラメータを表示手段に表示して（ＳＴ１０；最適熱履歴の表示（最適熱履歴表示工程））、処理を終了する。
【００４３】
なお、前記の通りに、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態では、フェライト変態計算、パーライト変態計算、マルテンサイト変態計算によって求めた組織パラメータについては目標値を定めないものとしたため、ＳＴ９において、フェライト相、パーライト相、マルテンサイト相及び残留オーステナイト相の各組織パラメータを、所望する組織が鋼材に実現されているか否かを判断するための副次的な判断材料として用いることができる。一方、これらの組織パラメータについてもＳＴ１にて目標値を設定し、この目標値と求められた結果との対比を行って（ＳＴ７とＳＴ８との間でこの対比と判断を行う）、最適な熱履歴を求めるようにしてもよい。
【００４４】
＜ベイナイト変態計算＞
次に、ベイナイト変態計算工程について説明する。図３にベイナイト変態計算（ＳＴ５）の内容を表したフローチャートを示す。また、図４にＳＴ１で設定した熱履歴（パターン）の一例を示す。図４に示すように、所定の熱履歴に対して、ベイナイト変態の挙動を微小時間の等温保持の繰り返しとして取り扱うために、熱履歴の時間を複数の微小な時間（Δｔ1，Δｔ2，・・・Δｔi，・・・、例えば０．１秒毎）に区切り、各時間（t1, t2・・・ti・・・）における温度を求める。さらに、計算に必要な各種の初期パラメータの設定を行なう（ＳＴ５１；微少時間と温度の設定，初期パラメータの設定）。
【００４５】
初期パラメータの設定では、まず、予め設定された所定の数式により、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点（ベイナイトの生成上限温度）を算出して確認し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率（以下「Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等」という）を計算（算出）する。
【００４６】
Ｂｓ点は、各ステップにおけるオーステナイト中の炭素量、合金元素量から無拡散変態の駆動力を算出し、これがある一定の値に達する時の温度をもってＢｓ点として算出する。無拡散変態の駆動力の算出は、例えば、熱力学パラメータ計算手段４０で使用した熱力学計算ソフトにより行うことができる。Ｂｓ点の基準となる無拡散変態の駆動力の値としては、４００〜６００ J/mol程度が適正と考えられており、その中で任意の値をとればよい。また、事前に実験により適正な値を決定すれば、さらに精度良く予測が可能となる。
【００４７】
Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等は、ＳＴ２で求められる「オーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径」を元にＳＴ３、ＳＴ４でフェライト、パーライト変態計算を行うことで、フェライト分率、フェライト平均粒径、パーライト分率を求める。オーステナイトの平均粒径は変態計算中に変化しないので、ＳＴ２で求められるオーステナイト平均粒径の値を用いる。
【００４８】
そして初期パラメータの設定では、フェライト、パーライト変態時に残留しているオーステナイト相の分率 Vγ(t0)、炭素量 Cγ0 [wt%]、単位体積あたりのベイナイトの核生成サイトとなる、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面（以下、「γ粒界又はα／γ界面等」という）の面積 Aγ[m2/m3]を求め、かつ、計算に必要なパラメータ Ksh1、Kγsh1、KAγ、Km、Ks、Δrを設定する。これらのパラメータについては、Ksh1は１×１０１１〜１×１０１３、Kγsh1は１×１０１２〜１×１０１４、KAγは０．１〜０．８、Kmは１〜２０、Ksは５０〜５００、Δrは０．０１〜０．２０の間の適当な値を設定すれば良いが、事前に対象とする材料を用いた基礎実験を実施し、結果と計算が合致するように各パラメータを設定すれば、より精度良く計算することが可能となる。
【００４９】
なお、ＳＴ５１で設定するパラメータは、ベイナイト変態計算時に時間、温度により変化しないパラメータが対象となっている。すなわち、ここでの初期パラメータとは、ベイナイト変態計算をする際に定数として取り扱うパラメータのことである。ここで、Ｃ0：鋼材の炭素濃度 [wt%]、Ｖf：フェライト分率、Ｖp：パーライト分率とすると、ここでの残留オーステナイト分率 Vγ（t0）は［１−Ｖf−ＶP］で求められ、残留オーステナイト中の炭素濃度Cγ0 [wt%]は［Ｃ0／（１−Ｖf）］で求められる。Aγは公知の計算方法（例えば、Minoru Umemoto etc., “Computer Modelling of Phase Transformation from Work-hardened Austenite”, ISIJ International, Vol. 32(1992), No.3, pp306-315））を元にＢｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等から算出すれば良く、例えば、式１から求められる。なお、この際、フェライト平均粒径を考慮することで精度を高めることができる。
【００５０】
【数１】
dγ：オーステナイト平均粒径（直径）[m]
【００５１】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）において、初期パラメータとして、温度、組織状態により変化するパラメータの計算を行なう（ＳＴ５２；時間ｔにおける初期パラメータ計算）。
ここでの初期パラメータの計算では、無拡散変態の駆動力 ΔGM（tn, Cγ*(tn)）[J/mol]を求める。無拡散変態の駆動力は、オーステナイト中の炭素量、及び、温度に依存して変化する。すなわち、時間が進行して温度や組織状態が変わると逐次、計算し直す必要がある。そのため、ＳＴ２で熱力学計算する際に、無拡散変態の駆動力と、オーステナイト中の炭素量及び温度との関係を数式若しくはデータベースとして求めておき、所定の時間における温度及びオーステナイト中の炭素量から、その数式若しくはデータベースを使って無拡散変態の駆動力を算出できるようにすれば良い。
【００５２】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）における微小時間（例えば = ti+1）中に形成されたベイナイトラス核の生成に関する計算を行う（ＳＴ５３；時間ｔにおけるベイナイトラス核生成計算）。
【００５３】
ここでは、前記計算した値、すなわちＢｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にγ粒界又はα／γ界面等から核生成したベイナイトラスの核生成数核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズ（すなわち、平均ブロックサイズ）を求める。すなわち、Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等や、これを用いて算出した各種の値や、設定した初期パラメータ等を用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求める。なお、Ｂｓ点到達時のオーステナイト平均粒径等を用いる他、フェライト平均粒径を用いずに、Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びパーライト分率のみを用いることもできる。
具体的には、以下のとおりである。
【００５４】
ＳＴ５３での時間tnにおけるベイナイト変態の分率 Vbf(tn)は、式２、式３で表されるように、拡張体積率 Vbfex(tn)と、Ｂｓ点をきった時（Ｂｓ点到達時）のオーステナイト分率Vγ(t0)から求める。
ここで、所定時間において、各時間（微小時間毎）に形成されたブロック（ベイナイトラス）の数 Nγsh(tn)をブロックの数密度と定義する。そして所定の時間ｔ（例えば, = ti）における単位体積あたりのブロック（ベイナイトラス）の数 Nγsh(ti) [/m3]と、この１つのベイナイトラスから形成されたブロックの体積 Vsh(tn,ti) [m3]を掛け合わせ、各時間で掛け合わせたもの全てを足し合わせたものが拡張体積率である。
【００５５】
【数２】
【００５６】
次に、図５を参照してブロックの体積の成長について説明する。
図５において、符号１２ａは、時間tiにγ粒界上に形成したベイナイトラス、すなわち時間tiに形成されたブロックであり、符号１２ｂは、時間ti+1に既存のブロック１２ａ周囲に形成されたベイナイトラスであり、符号１３は、これらを足し合わせたブロックである。図５に示すように、時間ti+1におけるブロック１３の体積「Vsh(tn,ti)」は、前ステップ（時間ti）に形成されて既に存在しているブロック１２ａの体積「Vsh(ti,ti)」と、この既存のブロック１２ａの周囲に形成したベイナイトラス１２ｂの体積「Ish(ti+1)・Ash(ti,ti)・Vsu(ti+1)・Δti+1・exp(-Vbfex(ti))」を足し合わせたものである。このように、ブロックの体積 Vsh(tn,ti)は、既存のブロックの周囲にベイナイトラスが核生成しながら増加していくものである。すなわち、時間が経過するに従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長する。
その挙動は式４で求められる。
【００５７】
【数３】
Vsh(tn-1,ti)：前ステップでのブロックの体積 [m3]
Ish(tn)：既存のブロック周囲にベイナイトラスが単位面積・単位時間あたりに核生成する速度 [/m2 s]
Ash(tn-1,ti)：既存のブロックの周囲の面積 [m2]
Vsu(tn)：ベイナイトラス１個の体積 [m3]
Δtn：微小時間 [s]
exp(-Vbfex(tn-1))：変態可能な領域がブロック周囲に存在する確率（＝未変態γの体積）
【００５８】
ここで、ベイナイトラスは、１：Km：Kmの直方体として仮定（ここで、Kmは１以上の値）することで、ベイナイトラスの体積 Vsu(tn)は、ベイナイトラスの厚さ Wsh(tn) [m]から式５のように記述できる。
【００５９】
【数４】
【００６０】
ベイナイトラスの厚さ Wsh(tn)は、オーステナイトの強度 Sγ(tn) [MPa]、ベイナイト変態の駆動力 ΔGM(tn,Cγ* (tn)) [J/mol]に依存し、その導出式は非特許文献３に記載されている数式を元に最適化した式６〜８を使って求める。なお、ベイナイト変態の駆動力（＝無拡散変態の駆動力）はThermo- Calc（登録商標）等の熱力学計算ソフトにて計算することで求められる。
【００６１】
【数５】
Cγ* (tn)：未変態γ中の炭素量 [wt%]
Si，Mn：それぞれ、Si，Mnの添加量 [wt%]
T：温度 [℃]
【００６２】
ここで、ブロックはベイナイトラスと相似形で成長すると仮定する。その仮定を元にして、ブロックの周囲の面積 Ash(tn-1,ti) [m2]を式９で求めることができる。
【００６３】
【数６】
【００６４】
核生成速度 Ish(tn)は、ベイナイトラスの形態、ベイナイトラス−オーステナイト間の界面エネルギー σγ-sh [J/m2]、ベイナイト変態の駆動力 ΔGM(tn,Cγ* (tn)) [J/mol]と、本技術のポイントであるベイナイト変態時に発生する歪エネルギーΔGs(tn) [J/mol]を使って、式１１から、式１０のように求めることができる。
【００６５】
【数７】
Ksh1：フィッティングパラメータ
Qγc：オーステナイト中の炭素の拡散の活性化エネルギー [J/mol]
ΔGα→αB*：エンブリオ形成の活性化エネルギー [J/mol]
Vｍ：鉄のモル体積 ７．０９×１０−６ [m3/mol]
Na：アボガドロ数 ６．０２×１０２３ [/mol]
【００６６】
歪エネルギー ΔGs(tn)は、（１）密度の高いオーステナイトから密度の低い（つまり体積が大きい）ベイナイトが形成されることでオーステナイト側に発生する歪エネルギーと、（２）フェライト中に発生する歪エネルギー、及び、（３）格子不変変形に必要な双晶若しくは転位のエネルギー、の総和である。この中で、オーステナイト側に発生する歪エネルギーについて、ベイナイト変態に伴うオーステナイトへの炭素濃化によりオーステナイト強度が向上し、歪エネルギーの寄与が大きくなることを考慮することで、ベイナイト分率の予測精度を高めることができる。また、ベイナイト中に発生する歪エネルギーや、格子不変変形に必要な双晶や転位のエネルギーも考慮すべきだが、こちらについては定数KSとして考慮する。すなわち、歪エネルギー ΔGs(tn)は、式１２のように求める。
【００６７】
【数８】
Δr：オーステナイトからベイナイトに変態する変態時の膨張率
Sγ(tn)：オーステナイト強度[MPa]
【００６８】
ブロックの数 Nγsh(tn)については、従来考慮されているγ粒界又はα／γ界面等が消費される効果に加え、γ粒界又はα／γ界面等のうち、界面核生成サイトとして寄与できる領域を限定すること及びパラメータ KAγを導入することで、ベイナイト変態の進行速度を妥当にすることが可能になる。すなわち、ブロックの数 Nγsh(tn)は、式１３〜１５で求める。
【００６９】
【数９】
Aγ：γ粒界又はα／γ界面等の面積 [m2]
Iγsh(tn)：γ粒界又はα／γ界面等での核生成速度 [/m2 s]
Aγgbsh(tn,ti)：既存のブロックにより占有されて核生成能力を失ったγ粒界又はα／γ界面等の面積 [m2]
Kγsh1：フィッティングパラメータ
【００７０】
次に、平均ブロックサイズを求める。
ベイナイト分率 Vbf(tn)をブロックの数 Nγsh(tn)で割ることで、ブロック１個あたりの平均体積 Vavsh(tn) [m3]を求め、式１６から円相当径（半径） ravsh(tn) [μｍ]を算出し、それを平均ブロックサイズとする。
【００７１】
【数１０】
【００７２】
以上のように、ベイナイトラスの増加によるベイナイト変態の進行挙動を、式１３においてオーステナイト粒界からブロックが形成される挙動からブロックの数Nγsh(tn)を求める工程と、式４に示す既存のブロックの成長挙動からブロックのサイズVsh(tn,ti)を求める工程に分離させ、これを式２、式３において各時間に形成されたブロックの数と体積を微小時間毎に乗じたものを全て足し合わせて求めた拡張体積率から変換することでベイナイト分率を求めると共に、式１６においてベイナイト分率およびブロックの数から平均ブロックサイズを求める。その際、式１０、１５において、それぞれKsh1と、Kγsh1を用いることで、既存のベイナイトラスからの核生成速度とγ粒界又はα／γ界面等での核生成速度を区別している。
すなわち、（１）Ish(tn)と、Iγsh(tn)を別に計算することで、γ粒界又はα／γ界面等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算している。
【００７３】
また、（２）式１３において、KAγを用いることで、従来考慮されていた、ベイナイト変態の進行に伴うγ粒界又はα／γ界面等の減少を考慮することに加え、ベイナイトラスの核生成サイトであるγ粒界又はα／γ界面等のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算している。
【００７４】
また、従来は、「ΔGs(tn)＝４００〜６００ J/mol」と一定値を使用していたものを、（３）式１２を用いることで、オーステナイト粒内における炭素量の増加によるベイナイト変態の駆動力の低下を考慮することに加え、前記炭素量の増加によりオーステナイトの強度が上昇し、この強度の上昇によってベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大することに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算している。
このように、本発明は（１）〜（３）の事項を適用してベイナイト分率及びブロックサイズ（平均ブロックサイズ）を求めることにより、ベイナイト分率及びブロックサイズ（平均ブロックサイズ）の正確な予測を行うと共に、これらの値をより正確に計算することができる。
【００７５】
続いて、所定の時間ｔ（例えば, = ti）における微小時間（例えば = ti+1）中に形成されたセメンタイトの挙動に関する計算を行う（ＳＴ５４；時間ｔにおけるセメンタイトの形成挙動計算）。ここでは、非特許文献３等に見られるセメンタイトの形成速度に関する計算式を用いることで計算してもよい。
【００７６】
続いて、ベイナイト変態の終了を検討する（ＳＴ５５；ベイナイト変態が終了したか？）。ベイナイト変態の終了を判断する手法としては、オーステナイト中の炭素量及び温度から無拡散変態の駆動力を算出し、その値が一定値に達するという条件を満たす場合（ＳＴ５５の判断が“ＹＥＳ”の場合）はベイナイト変態計算を終了し、満たさない場合（ＳＴ５５の判断が“ＮＯ”の場合）は微小時間ｔｉを経過させ次のステップのベイナイト変態計算に戻る。この時、ベイナイト変態終了となる無拡散変態の駆動力の値としては、８００から２０００ J／molの間の適当な値を用いれば良い。
【００７７】
＜ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセス（組織パラメータ予測方法）〜第２実施形態＞
図６にベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第２実施形態に係る概略フローチャートを示す。図６を図２と対比すると明らかなように、この第２実施形態では、ベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第１実施形態で行った“ＳＴ１；目標値設定”を行わず、その結果、“ＳＴ６；設定した目標値の範囲内か？”の判断をも行うことなく、ＳＴ１０１〜１０６として、ＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４，ＳＴ５，ＳＴ７，ＳＴ８と同じ処理を行い、その後、ＳＴ１０１〜１０６で求めた組織パラメータの表示を行って（ＳＴ１０７；組織パラメータの表示）、処理を終了する。ここで、ＳＴ１０１で複数の熱履歴が設定されている場合には、ＳＴ１０７では熱履歴毎に組織パラメータが表示される。
【００７８】
予測システム１００のオペレータは、得られた組織パラメータを対比して最適な熱履歴を選択し、選択された熱履歴を温度制御装置７０に送ることによって、製造ライン８０を制御することができる。また、所望する組織パラメータが得られていない場合や、先に設定した熱履歴の変更によってより適切な組織パラメータが得られると考えられる場合には、再度、ＳＴ１０１からの処理を行うことができる。
【実施例】
【００７９】
次に、本発明に係る実施例について説明するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものでない。
本実施例においては、鋼材におけるベイナイト分率及びブロックサイズについて、実際のベイナイト変態挙動における実測値と、本発明のベイナイト相の組織予測方法により算出したものとを対比した。
【００８０】
実際のベイナイト変態挙動における測定は、以下のように行なった。まず、０．１８質量％Ｃ−１．３５質量％Ｓｉ−２．００質量％Ｍｎの組成を有する鋼材を、９３０℃に加熱した後、４７５℃のソルトバスに浸漬し、表２、３に示す各時間保持したのち急冷して試料を作製した。この試料を鏡面に研磨した後、３％ナイタールで腐食して走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で組織観察をして、ベイナイト分率を測定した。また、ブロックサイズについては、後方散乱回折像（ＥＢＳＤ）を用いて方位差１５°以上の大傾角粒界に囲まれた領域をブロックと定義し、その面積を画像解析で測定し、そこから円相当径（半径）を求めて、これをブロックサイズと定義した。なお、ブロックサイズは、ブロック１個あたりの平均ブロックサイズである。
【００８１】
ベイナイト相の組織予測方法は、前記した実施形態に従う方法により行った。ここで、本実施例では、前記したベイナイト相の組織パラメータ計算プロセスの第２実施形態（適宜、図６参照）に従って、ベイナイト相の組織パラメータについて目標値を定めないこととした。そして以下の条件で計算を行った。
【００８２】
熱履歴として、以下の条件を設定した。
鋼材が９３０℃に加熱された後に、５０℃／ｓの一定冷却速度で４７５℃まで冷却される。なお、冷却過程においては、フェライト、パーライト変態計算領域を通過するが、各組織の分率はほぼゼロのままＢｓ点を切るので、以後、本評価においては無視する。その後、４７５℃で表２、３に示す各時間保持された後、５０℃／ｓの冷却速度で２００℃まで冷却される条件とした。
【００８３】
鋼材の成分は、０．１８質量％Ｃ−１．３５質量％Ｓｉ−２．００質量％Ｍｎとし、オーステナイト粒径は、２０μｍとした。
また、フェライトおよびオーステナイト中の平衡の炭素量、フェライト変態の駆動力、パーライト変態の駆動力、無拡散変態の駆動力等は、熱力学データベースとして、前記した熱力学計算ソフト“Thermo-Calc（登録商標）”を用いて算出した（database名 SSOL）。その上で、前記した実施形態に従う方法により、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めた。
【００８４】
ここで、計算諸条件のうち、その一部を表１に示す条件に設定した。
（１）は、γ粒界又はα／γ界面等からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイト周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算したものである。
（２）は、ベイナイトラスの核生成サイトであるγ粒界又はα／γ界面等のうち、界面核生成サイトとして寄与できる領域を限定し、ベイナイト変態の進行に伴い核生成可能な領域が減少する挙動を考慮して計算したものである。
（３）は、オーステナイト粒内における炭素量の増加によって、ベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大することに伴い、ベイナイトラスの核生成速度が変化する挙動を考慮して計算したものである。
【００８５】
【表１】
【００８６】
これらの結果について、ベイナイト分率の測定結果及び算出結果、ブロックサイズの測定結果及び算出結果をそれぞれ表２、３に示す。なお、表３において、「−」は、実測を行なっていないもの、及び、そのため誤差が算出できないものである。
ここで、ベイナイト分率については、誤差が「±１０％以下」、ブロックサイズについては、誤差が「±０．２５μｍ以下」のものについて、計算結果が適切であると判断した。
【００８７】
【表２】
【００８８】
【表３】
【００８９】
表２、３に示すように、ケース１では、全ての条件を適正に考慮しているので好ましい結果が得られている。
ケース２では、γ粒界からの核生成と既存ブロック周囲からの核生成を区別していないため、ブロックの成長挙動を適正に計算できない。そのため、ブロックサイズの計算結果が適切でない。また、中間段階のベイナイト分率の予測精度も悪い。
ケース３では、γ粒界全面を核生成サイトとすることでγ粒界からの核生成を過剰に、また既存ブロック周囲からの核生成を過少に計算するため、ブロックの成長挙動を適正に計算できない。そのため、ブロックサイズの計算結果が適切でない。また、中間段階のベイナイト分率の予測精度も悪い。
ケース４では、オーステナイトへの炭素濃化に伴う歪エネルギーの効果を考慮しないため、変態中・後期の変態挙動を過大に計算するものである。そのため、ベイナイト分率の予測精度が悪い。
【００９０】
以上、本発明について実施の形態及び実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００９１】
１ オーステナイト粒（γ粒）
２ ベイナイトラス（sub-unit）
３ ブロック（sheaf）
５ 目標値設定手段
１０ 熱履歴設定手段
２０ 成分測定手段
３０ 前工程の熱履歴測定手段（前工程熱履歴測定手段）
４０ 熱力学パラメータ計算手段
５０ 初期粒径等計算手段
６０ 組織予測計算・判断手段
７０ 温度制御装置
８０ 製造ライン
１００ 予測システム
２００ ベイナイト相の組織（ベイナイト組織）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズを予測システムにより計算するベイナイト相の組織予測方法であって、
前記予測システムは、前記冷却パターンである熱履歴を設定する熱履歴設定手段と、
前記冷却前の鋼材に含まれる成分を測定する成分測定手段と、
前記熱履歴設定手段において設定された熱履歴の熱処理を施す前に前記鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定する前工程熱履歴測定手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記成分測定手段で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する熱力学パラメータ計算手段と、
前記前工程熱履歴測定手段で測定された熱履歴に基づいて、前記鋼材の冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径を計算する初期粒径等計算手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記熱力学パラメータ計算手段で計算された熱力学パラメータと、前記初期粒径等計算手段で計算されたオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径とに基づいて、組織パラメータを計算する組織予測計算・判断手段と、を備え、
前記組織予測計算・判断手段は、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点を算出し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率を計算し、この計算した値に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面から核生成したベイナイトラスの核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、
時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求めるベイナイト変態計算工程を有し、
前記ベイナイト変態計算工程では、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、
ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、
オーステナイト粒内における炭素量の増加によりベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大するのに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めることを特徴とするベイナイト相の組織予測方法。
【請求項１】
オーステナイト単相温度、又は、オーステナイトと、フェライトとの二相温度から所定の冷却パターンで冷却した亜共析組成の鋼材におけるベイナイトの分率及びベイナイトのブロックサイズを予測システムにより計算するベイナイト相の組織予測方法であって、
前記予測システムは、前記冷却パターンである熱履歴を設定する熱履歴設定手段と、
前記冷却前の鋼材に含まれる成分を測定する成分測定手段と、
前記熱履歴設定手段において設定された熱履歴の熱処理を施す前に前記鋼材に対して行われた熱処理である熱履歴を測定する前工程熱履歴測定手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記成分測定手段で測定された成分とに基づいて、熱力学パラメータを計算する熱力学パラメータ計算手段と、
前記前工程熱履歴測定手段で測定された熱履歴に基づいて、前記鋼材の冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径を計算する初期粒径等計算手段と、
前記熱履歴設定手段で設定された熱履歴と、前記熱力学パラメータ計算手段で計算された熱力学パラメータと、前記初期粒径等計算手段で計算されたオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径とに基づいて、組織パラメータを計算する組織予測計算・判断手段と、を備え、
前記組織予測計算・判断手段は、冷却中にフェライト変態及びパーライト変態が進行する過程での未変態オーステナイトにおけるＢｓ点を算出し、前記冷却開始時におけるオーステナイト平均粒径、フェライト分率、及びフェライト平均粒径に基づいて、前記Ｂｓ点に到達時のオーステナイト平均粒径、フェライト分率、フェライト平均粒径、及びパーライト分率を計算し、この計算した値に基づいて、予め設定された所定の数式により、冷却過程を等温変態が生じるとみなすことができる微小時間毎にオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面から核生成したベイナイトラスの核生成数及び１つのベイナイトラスから形成されたブロックのサイズを求め、
時間の経過に従い、核生成済みのベイナイトラスの周囲からベイナイトラスが核生成していくことでブロックサイズが成長するとして、前記核生成数及びブロックのサイズを用いてベイナイト分率及びブロックサイズを求めるベイナイト変態計算工程を有し、
前記ベイナイト変態計算工程では、オーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面からのベイナイトラスの核生成と、核生成済みのベイナイトラス周囲からのベイナイトラスの核生成とを区別して計算し、かつ、
ベイナイトラスの核生成サイトであるオーステナイト粒界、又は、オーステナイトと、フェライト若しくはパーライトとの界面のうち、ベイナイト変態が進行するのに伴って核生成可能な領域が減少するとして計算し、かつ、
オーステナイト粒内における炭素量の増加によりベイナイト変態時に導入される歪エネルギーが増大するのに伴って、ベイナイトラスの核生成速度が変化するとして計算することで、ベイナイト分率及びブロックサイズを求めることを特徴とするベイナイト相の組織予測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４７５９９（Ｐ２０１２−４７５９９Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９９５９（Ｐ２０１０−１８９９５９）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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