焼入シミュレーション

まず温度の変化だ。焼入れで硬くなるかどうかは、各点が変態の温度域をどれだけ速く通過するかで決まる。表面は冷却液に触れてすぐ冷えるが、中心の熱は鋼の中を伝わって出ていくしかない。その遅れの大きさを表すのがビオ数で、表面での熱の奪われやすさと、内部の熱の伝わりやすさの比だ。ビオ数が大きいほど表面と中心の差が開く。温度がわかれば冷却速度から組織が、温度差から熱応力やひずみが見積もれる。

ビオ数が大きい領域では、冷え方は表面ではなく鋼の中の熱伝導で決まる。中心まで熱が伝わる時間は半径の2乗に比例するので、2.5倍の太さでは約6倍かかる。だから冷却液を強くしても中心の冷却速度はあまり上がらない。直径50 mmでは水から油に変えても中心の速度は18から8.4℃/秒と半分程度だが、表面と中心の差は548から249℃に大きく下がる。太い部品で水を使っても中まで焼きが入らず、温度差による割れの危険だけが増える場合がある。だから太い部品には焼入性の高い合金鋼を使うのだ。実際の計算では、水の蒸気膜の段階や、変態による発熱と体積変化も入れて、熱伝達係数を温度ごとに与える。

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