溶接は金属を高温で接合する技術であり、その過程で溶接部の周囲の母材には熱が伝わります。この熱の影響を受けた範囲を「熱影響部（HAZ：Heat Affected Zone）」と呼びます。HAZは温度上昇の程度により複数の領域に分類されますが、その中でも「部分変態域（Intercritical Heat Affected Zone、ICHAZ）」は、組織が部分的に変化し、機械的性質に悪影響を及ぼす可能性のある重要な領域です。本稿では、部分変態域の定義、発生する組織変化、材料特性への影響、評価法、そして制御方法について解説します。
🔶 部分変態域とは？
部分変態域とは、溶接熱によって母材が鋼の変態開始温度（Ac₁：約723℃）と変態終了温度（Ac₃：約910℃）の間の温度に加熱される領域を指します。この温度範囲では、母材の組織が一部だけオーステナイトに変態し、残りは変態せずにフェライトのまま残るという状態になります。
溶接の熱によって完全に変態しないため、「部分的な変態が起きる領域」という意味で「部分変態域」と呼ばれます。英語では「Intercritical HAZ（ICHAZ）」とも呼ばれます。
🔶 部分変態域における組織変化
部分変態域では、温度がAc₁〜Ac₃の範囲内にあるため、以下のような組織変化が生じます：
◼ 加熱時
- 母材のパーライト部分はオーステナイトに変態する。
- フェライトは温度が不十分なため変態せず、そのまま残存。
- つまり、オーステナイトとフェライトが混在する二相状態になります。
◼ 冷却時
- 変態したオーステナイト部分は、冷却速度に応じて硬いマルテンサイトやベイナイトに変化する。
- 残ったフェライトはそのままの柔らかい組織として残る。
- 結果として、硬くてもろい組織と柔らかい組織が混在した、不均一な組織構造になります。
🔶 部分変態域の問題点
部分変態域では、組織の不均一性により以下のような問題が発生することがあります：
1. 靭性（じんせい）の低下
硬いマルテンサイトがフェライトの間に点在することで、脆性破壊が起きやすくなります。衝撃荷重が加わると割れが発生しやすい領域です。
2. 水素脆化のリスク
マルテンサイトは水素を吸収しやすく、その結果として遅れ割れ（遅れ破壊）が発生する恐れがあります。これは特に高強度鋼を用いた構造物で問題となります。
3. 疲労き裂の発生
硬さの異なる組織が隣接するため、応力集中が起きやすく、繰返し荷重によって疲労き裂が発生する可能性が高まります。
🔶 評価と観察方法
部分変態域の影響を評価するには、以下のような方法が用いられます：
◼ 金属組織観察（光学顕微鏡・SEM）
組織の不均一性やマルテンサイトの分布を観察し、変態の程度を確認します。
◼ 硬さ分布測定（マイクロビッカース硬さ試験）
HAZ全体の硬さの局所変化を測定し、部分変態域の硬化部位を特定します。マルテンサイト部分は周囲より明らかに高硬度です。
◼ シャルピー衝撃試験
靭性低下の有無を評価するために、ICHAZを試験片の切欠部に含めて衝撃試験を行うことがあります。
🔶 対策と管理方法
部分変態域による不具合を防止・最小化するためには、以下のような制御・管理が重要です。
1. 熱入力の最小化
- 高熱入力はHAZを広げる原因になるため、可能な限り低入熱の溶接法（例：MAG、TIGなど）を選択します。
- 熱入力制御によって、部分変態域の範囲を狭く抑えます。
2. 予熱と後熱処理
- 予熱により急激な温度勾配を緩和し、マルテンサイト生成を抑えることが可能です。
- 後熱処理（PWHT：Post Weld Heat Treatment）でマルテンサイトの焼き戻しを行い、靭性を改善する手法も有効です。
3. 適切な冷却速度の設定
- 急冷はマルテンサイト生成を促進するため、空冷や徐冷などで冷却を制御します。
4. 使用材料の工夫
- 粒成長を抑える元素（Nb, Ti, Vなど）を含む鋼種を用いることで、部分変態域の影響を低減できます。
- マルテンサイト脆化に強い材料や水素吸収の少ない材料を選ぶのも有効です。
🔶 まとめ
部分変態域（ICHAZ）は、溶接熱によって母材がAc₁〜Ac₃の温度域に加熱され、一部だけが変態する特殊な領域です。この結果、硬くてもろい組織（マルテンサイトなど）と柔らかいフェライトが混在し、靭性の低下や割れのリスクが高まるという問題が生じます。
この領域の健全性を確保するためには、熱入力の管理、冷却速度の調整、材料の選定、予熱・後熱処理などの総合的な溶接管理が必要です。部分変態域の理解は、溶接構造物の信頼性と安全性を確保する上で欠かせない要素であり、特に高強度鋼や重要構造物においては重点的な対策が求められます。
