令和5年度技術士第一次試験問題［基礎科目］　問Ⅰ-4-3　金属材料の結晶構造や磁性

ア：体心立方 – 常温での純鉄（Fe）は体心立方構造（BCC）であり、α-Feと呼ばれます。
イ：強磁性 – α-Feは強磁性を示します。
ウ：コバルト – コバルトも常温で強磁性を示す金属の一つです。
エ：収縮 – 純鉄を加熱してγ-Fe（オーステナイト）へ相変態すると収縮します。

[解答]③

参考：

γ-Fe（オーステナイト）への相変態時にはどのように変化するか教えてください？

γ-Fe（オーステナイト）への相変態について、以下のように説明します。

α-Fe（フェライト）からγ-Fe（オーステナイト）への相変態
結晶構造の変化:

α-Fe（フェライト）は体心立方構造（BCC）を持っています。
γ-Fe（オーステナイト）は面心立方構造（FCC）を持っています。
密度の変化:

フェライトからオーステナイトへの相変態に伴う結晶構造の変化により、体積が変化します。
BCC構造からFCC構造への変化は、一般的に密度が増加し、体積が減少します。
収縮について
フェライト（BCC）からオーステナイト（FCC）への相変態時には、結晶構造がより密な面心立方構造になるため、体積が減少し、結果として収縮が起こります。
結論
したがって、γ-Fe（オーステナイト）への相変態時には収縮が正しい表現となります。

過去問ドットコム

アルミニウムの結晶構造と単位胞と配位数

体心立方、面心立法、六方最密構造に分類される金属を教えてください

金属の結晶構造は、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）、**六方最密構造（HCP）**の3つに分類されることが多いです。それぞれの構造に分類される代表的な金属を以下にまとめます。

1. 体心立方構造（BCC: Body-Centered Cubic）
特徴:
原子は単位格子の各頂点と中心に配置される。
原子の充填率は約68%で、密度はやや低い。
多くの場合、高温や強磁性を示す金属がこの構造を持つ。
代表的な金属:
鉄（Fe）: α−Fe（常温）
クロム（Cr）
モリブデン（Mo）
タングステン（W）
バナジウム（V）
ナトリウム（Na）（常温）
2. 面心立方構造（FCC: Face-Centered Cubic）
特徴:

原子は単位格子の各頂点と各面の中心に配置される。
原子の充填率は約74%で、BCCよりも密に詰まっている。
延性・展性に優れる金属が多い。
代表的な金属:

鉄（Fe）: γ−Fe（高温）
アルミニウム（Al）
銅（Cu）
金（Au）
銀（Ag）
ニッケル（Ni）
鉛（Pb）
白金（Pt）
3. 六方最密構造（HCP: Hexagonal Close-Packed）
特徴:

原子の充填率は約74%で、FCCと同じく非常に密。
強度が高く、靭性が低い傾向がある。
一部の金属はこの構造を持つ。
代表的な金属:

チタン（Ti）
マグネシウム（Mg）
亜鉛（Zn）
コバルト（Co）
ジルコニウム（Zr）
カドミウム（Cd）
ベリリウム（Be）
補足: 温度や圧力による構造変化
鉄（Fe）:
常温ではBCC構造（α−Fe）。
約912℃以上でFCC構造（γ−Fe）。
さらに1394℃以上では再びBCC構造（δ−Fe）。
コバルト（Co）:
常温ではHCP構造。
高温でFCC構造。
この分類は、金属の物理的特性や用途を理解するうえで非常に重要です。それぞれの構造は、金属の強度、延性、耐熱性などの性質に大きな影響を与えます。

体心立方構造は脆いですか？

体心立方構造（BCC）の金属は、他の結晶構造と比較すると一般的に脆い傾向がありますが、それは条件や金属の種類によります。

体心立方構造と脆さの理由
すべり面の数が少ない

BCC構造は、結晶内で原子がすべる（塑性変形を起こす）ための「すべり面」の数が少ないです。
そのため、外部からの応力を受けた際に、塑性変形が起こりにくく、割れやすい（脆性が高い）ことがあります。
低温での性質

BCC構造の金属は低温で脆くなる「低温脆性」を示すことがあります。
例：鉄（Fe）やモリブデン（Mo）は低温では脆くなるが、高温では延性が向上します。
結晶構造の密度

BCC構造は、原子の充填率が約68%と低く、FCCやHCP構造よりも緩い構造です。そのため、密な構造ほどの強い結合力を持ちません。
体心立方構造の金属の特徴
一般的な性質:

高温では塑性変形しやすくなる。
強度は高いが、延性（曲げや伸び）が低い。
脆性が問題となる場合もある。
例外:

一部のBCC金属は、微細構造や合金化によって延性を高めることが可能です。
脆さの比較: BCC vs. FCC vs. HCP
BCC（体心立方）:

すべり面が少ないため、低温では脆くなる傾向。
例：鉄（常温）、クロム、タングステン。
FCC（面心立方）:

すべり面が多く、延性・展性に優れる。
例：アルミニウム、銅、金。
HCP（六方最密構造）:

すべり面が少ないが、原子の密度が高い。一般的には硬く、延性は低い。
例：マグネシウム、チタン。
体心立方構造の脆さを克服する方法
合金化

他の元素を添加して、BCC構造を持つ金属の延性や強度を向上させます。
例：クロムやモリブデンを添加した鋼。
熱処理

焼き入れや焼き戻しなどの熱処理で、材料の微細構造を調整し、脆さを軽減します。
温度制御

使用温度を適切に設定することで、脆性を避けることが可能です。
結論:
体心立方構造の金属は、すべり面が少なく、低温で脆くなる傾向がありますが、設計や処理次第で延性を高めることが可能です。用途に応じた工夫が重要です。