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合金の量的割合と、てこの原理:金属材料基礎講座(その160) わかりやすく解説

更新日 2025-11-18

投稿日 2024-06-18

現代社会において、金属材料は欠かせない存在であり、その中でも複数の金属を混ぜ合わせて作られる「合金」は、強度や耐食性といった優れた特性から産業の基盤となっています。この合金の性能を最大限に引き出し、望む特性を持つ材料を設計するためには、熱力学的な安定性を示す「状態図」の理解が不可欠です。状態図は、特定の組成の合金が、ある温度においてどのような相（液体、固体、あるいは両者の混合）として存在するのかを視覚的に示した、いわば金属材料の地図です。しかし、融解中や凝固中など、液相と固相が共存している領域では、単に相が存在するということだけでなく、「それぞれの相が全体の中でどれだけの質量比率（量的割合）を占めているか」を知ることが、合金の最終的な性質を決定する上で極めて重要になります。

この複雑な相の量的割合を、状態図上から簡潔かつ正...

合金の量的割合と、てこの原理:金属材料基礎講座(その160) わかりやすく解説

この複雑な相の量的割合を、状態図上から簡潔かつ正確に導き出す手法こそが、物理学の基礎である「てこの原理（てこの法則）」を応用した計算方法です。本稿では、状態図の読み取り方から一歩進み、てこの原理がどのようにして液相と固相の比率を決定づけるのかを、具体的な全率固溶状態図を例に取りながら、そのメカニズムと計算手順をわかりやすく解説していきます。

◆ 合金の量的割合と、てこの原理

状態図において合金の組成や量的割合はとても重要です。組成は横軸から読み取ることが出来ますが、量的割合はてこの原理によって計算します。状態図には液相線や固相線など様々な線が描かれます。これら線と、測定すべき合金組成や温度によって計算します。

下図に全率固溶状態図の例を示します。そして組成c%合金の温度Tの時の液相Lと固相αの量的割合について計算します。まず点cにおいて横軸と平行な線を引き、液相線、固相線との交点を求めます。液相線との交点の組成がy、固相線との交点がxとなります。このy、xが温度Tにおける液相L、固相αの組成になります。

合金の量的割合と、てこの原理:金属材料基礎講座(その160) わかりやすく解説

図.てこの原理

そして量的割合は線分xyと点cを元に計算します。液相Lはcx(赤線側)/xy(全体)、固相αはyc(青線側) /xy(全体)となります。上図の(2)の矢印が示すように、点cを中心にして液相L、固相αのどちらも点cの反対側の線分の比率になります。これは天秤の支点と重りのつり合いににていることからてこの原理(てこの法則)と言います。

次回に続きます。

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