17
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering | | 1 Module 24 Iron – carbon system II Lecture 24 Iron – carbon system II

Iron – carbon system II - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture24.pdf · Iron – carbon system II . ... In iron carbon system there is a ... Cast iron having such a structure

Embed Size (px)

Citation preview

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

Module 24

Iron – carbon system II

Lecture 24

Iron – carbon system II

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

Keywords:   Iron – graphite phase diagram, morphology of graphite in cast iron, grey cast iron, 

malleable cast iron, nodular cast iron, mechanical properties of iron‐carbon alloys, effect of 

super cooling on decomposition of austenite, time temperature transformation (TTT) diagram, 

bainite, martensite 

Introduction  In the last lecture we looked at Fe‐Fe3C meta‐stable phase diagram. It was mentioned that iron 

carbide  is  not  a  stable  phase  although  it  can  exist  in  this  form  at  room  temperature  for 

indefinite periods. However on prolonged exposure to high temperature (around 600°C) it can 

decompose into ferrite and graphite. We would therefore look at iron graphite phase diagram 

and learn about alloys where carbon is present as graphite. We would also look at the effect of 

carbon content on the mechanical properties of binary iron carbon alloys. We are also familiar 

with the limitation of phase diagram. It can only predict evolution structure in metals and alloys 

under  equilibrium  rate  of  cooling which  is  often  too  slow.  In  iron  carbon  system  there  is  a 

transformation where  all  the  three phases  involved  are  solid.  This  is  the eutectoid  reaction. 

During  this  carbon atom  in austenite gets partitioned between  ferrite and  cementite. This  is 

possible only  through solid state diffusion of carbon which  is slow.  It would be  interesting  to 

see what could be the effect of super cooling (or cooling rate) on such a transformation. 

Iron Carbon (Graphite) Phase Diagram:  

Iron – carbon binary phase diagram

Fe3C = 3Fe + C (graphite)

a b c d

T

Hypo Hyper

L

G

L + GL

G

0.02 0.8 2.0 4.3

910

1539

1400

727

738

11461158

+ L

100

 

Slide 1 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

The Fe‐Fe3C phase diagram has been reproduced in slide with firm line.  The iron graphite phase 

diagram is very much the same. Solubility of carbon in the two forms of ferrite is still the same. 

There is a minor change in the upper limit of the solubility of carbon in austenite and in liquid. 

The broken (dashed) lines are the boundaries between various phase fields in the case of Fe‐C 

phase diagram. Note  that  the  compositions of  the  critical points marked  as  a, b,  c, & d  are 

nearly  the  same  as  those  in  Fe‐Fe3C  phase  diagram.  The  eutectoid  and  the  eutectic 

temperatures are a little higher. The diagram extends till 100% C. Fe3C is not a stable phase.  It 

decomposes into Fe and C. There are several grades of cast iron having graphite as one of the 

constituents. However graphite  is  rarely present  in  steel. The density of graphite  is 2.2gm/cc 

whereas that of  iron  is 7.87gm/cc.   This  is why  iron carbon alloys where carbon  is present as 

graphite expands on solidification. They are easy to cast as there is no problem associated with 

shrinkage during solidification. Figure 1 shows different morphologies of graphite in cast iron.  

 

 

 

 

 

 

Fig 1: Shows a few common shapes of graphite present in cast iron 

The most common forms of graphite present in cast iron are flakes of various sizes and shapes. 

Figure 1 (a) and (b) are the two common morphology. It is visible under microscope  in even if 

the specimen  is not etched. Flakes act  like stress raisers. Therefore cast  irons having flakes of 

graphite are brittle. The appearance of  its  fracture surface  is grey. This  is why  it  is known as 

grey cast iron. Long flakes usually develop as primary phase during solidification. This is possible 

only  in hyper‐eutectic cast  iron.  In hypo‐eutectic grey cast  iron  the primary phase  that  forms 

during solidification  is austenite. The  last  liquid to solidify  is the eutectic which  is a mixture of 

austenite and graphite. The graphite  flakes  that  form during  this  stage are much  smaller.  Its 

appearance may  look  like  that  in Fig 1(b).   % graphite  in eutectic can be estimated  from  the 

phase diagram using lever rule. This is approximately equal to 100 x (4.3 – 2.0)/(100 – 2.0) = 2.4. 

The balance  is  austenite.  The excess  carbon  from  austenite  can precipitate  as  graphite  as  it 

cools. This continues till the composition of austenite reaches that of the eutectoid point. On 

further  cooling  it may  transform  into  pearlite  if  the  cooling  rate  is  not  slow  enough.  If  the 

cooling rate is extremely slow it should transform into a mixture of ferrite and graphite. Under 

Large flakes 

of graphite 

Tiny flakes of 

graphite 

Nodules of 

graphite Irregular patches 

of graphite 

(a)  (b)  (c)  (d) 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

such a condition grey cast iron would consist of ferrite grains and graphite flakes. The matrix of 

such cast iron can vary from 100% ferrite to 100% pearlite.   

The morphology of graphite shown in fig 1 (c) develops when white cast iron is held at around 

950°C  for  long  hours.  This  shape  is  usually  known  as  temper  carbon.     White  cast  iron  is 

extremely brittle. However  such  treatment  results  in  substantial  improvement  in  its ductility. 

Cast iron having such a structure is known as malleable cast iron. Flakes of graphite behave as 

long cracks. This makes grey cast iron brittle. Temper carbons appear as collections of irregular 

shaped patches of graphite  in a microstructure. Unlike  flakes such a  form of carbon does not 

act as notches or stress raisers. Therefore cast iron where graphite exits in this form is ductile.  

The morphology shown in fig 1(d) can be obtained by special treatment during solidification. If 

molten iron having high superheat is inoculated with magnesium, graphite nucleates in nodular 

shapes. This too has good ductility. It is known as SG (Spheroidal Graphite) or nodular iron. Like 

grey cast iron both nodular and malleable cast iron can have a matrix of 100 % ferrite or 100% 

pearlite or a mixture of the two. Commercial cast  iron has significant amount of silicon. Truly 

cast iron is not a binary alloy. It is often considered as a ternary alloy of Fe‐C‐Si.  

Mechanical properties of iron – carbon alloys:  Phase diagram helps us interpret the structure of an alloy belonging to a system. The properties 

of an alloy depend on its microstructure. Most of these follow the rule of mixture. Let us look at 

the effect of carbon content on the properties of iron carbon alloys. Slide 2 presents a sketch of 

iron carbon phase diagram. Recall that it tells us about the structure of alloys under equilibrium 

rate of cooling. Pure  iron at  room  temperature consists of grains of  ferrite.  It has  the  lowest 

hardness but the highest ductility. If it has less than 0.002 % carbon, the structure is expected 

to be primarily ferrite with a few precipitates of cementite. As a consequence its hardness and 

tensile strength is likely to increase with carbon content. When % C exceeds the solubility limit 

pearlite  appears  as  one  of  the  constituents.  Since  it  is  an  intimate mixture  of  ferrite  and 

cemetite  it  has  significantly  higher  strength  and  hardness.  The  amount  of  pearlite  keeps 

increasing  from  0%  at  0.002%  C  to  100%  at  0.8%C.  The  strength  and  hardness  of  the  alloy 

increase linearly with the amount of pearlite. If %C is in the range 0.8 to 2.0 the alloy consists of 

pearlite  and  pro‐eutectoid  cementite.  Its  strength  and  hardness  keep  increasing  with  the 

amount of cementite since it has higher hardness.  However ductility decreases with increasing 

amount of cementite. The trend continues even beyond 2.0% carbon.   

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

Mechanical properties of Fe-C alloys

0.02 0.8 2.0 4.3

T

6.67

9101146

727

LL+cm+L

+cm

+cm

% %

100P

TS TS PTS

TS

BHN%El

 

Pearlite being an intimate mixture of ferrite and cementite has significantly higher strength and 

hardness. The  strength  (TS) of hypo‐eutectoid  steel  is directly proportional  to  the amount of 

pearlite in the structure. It can be described by the expression given in slide 2. A set of curves 

representing  tensile strength, hardness and ductility are superimposed on  the phase diagram 

given  in  slide  2.  TS  =  tensile  strength.  BHN  =  Brinell  Hardness  Number  and %El  =  ductility 

(elongation). Note that it has been shown till about 1.5%C. This is because iron – carbon alloys 

become  extremely  brittle  with  increasing  amount  of  cementite.  It  may  break  (fail)  before 

yielding. Cast  iron has very high amount of  cementite. They have poor  tensile  strength.  It  is 

used mostly under compressive loading. However its hardness shown by the plot marked BHN 

keeps increasing with carbon content. Slide 3 shown typical variations of the properties of steel 

as a function of % carbon. Data were taken from metals handbook. Note that the YS increases 

as % C approaches that of the eutectoid (0.8%C). Thereafter the effect of %C is negligible. The 

ultimate tensile strength (UTS) shows similar trend till 0.8%C. Beyond this UTS drops. This is due 

to the loss of ductility because of the presence of brittle cementite. The increase in hardness is 

significant till 0.8%C. Beyond this the increase in hardness is marginal. In short the strength of 

steel to a great extent is controlled by the amount of pearlite. Therefore it is worthwhile to look 

at the structure of pearlite in details. 

Slide 2 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

% Carbon

BH

N /

YS

/ U

TS YS Mpa

UTS Mpa

BHN

 

Effect of temperature on the pearlitic transformation:  Pearlite  is  a  product  of  eutectoid  transformation.  It  has  a  lamellar  structure  consisting  of 

alternate  layers of  ferrite and cementite plates. The  thicknesses of  the plates are  in  the ratio 

7:1. The  formation of pearlite  takes place  through a process called nucleation and growth.  It 

begins  with  the  nucleation  of  a  tiny  plate  of  cementite  preferably  at  one  of  the  grain 

boundaries of austenite. It has 6.67% carbon whereas the %carbon in the eutectoid austenite is 

only 0.8. This suggests  that cementite can nucleate only  if there  is a very  large  fluctuation of 

carbon content  in certain areas. The probability of such fluctuation depends on the degree of 

super‐cooling.  The  eutectoid  transformation  temperature  in  the  phase  diagram  is  often 

referred to as the lower critical temperature. It is denoted as A1. If the reaction takes place at A1 

it may take a very  long time for nucleation to take place. However  if the reaction  is forced to 

take  place  at  a  lower  temperature  the  nucleation  rate  is  likely  to  be  higher.  In  short  the 

nucleation  rate  increases with  the degree of  super‐cooling. However  the  reaction would also 

depend on the rate of growth. This occurs through the diffusion of carbon atoms in austenite. 

The diffusivity  is a strong  function of temperature.  It decreases with decreasing temperature. 

Therefore  the  growth  rate  is  expected  to  decrease  with  decreasing  temperature.  This  is 

schematically shown in fig 2. 

 

 

Slide 3 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2  (a) presents a schematic diagram  for  the nucleation of a cementite platelet.  It  takes 

carbon from the surrounding area. This develops a concentration gradient at the interface. The 

sketch  shows  the  carbon  concentration profile  at  the  tip of  the  cementite  along one of  the 

direction of its growth. Figure 2(b) gives the expected nature of the rate of nucleation (N) and 

that  of  growth  (G)  of  a  pearlite  nodule. N  increases with  the  degree  of  super‐cooling  (�T) 

whereas  Gdecreases with  the  degree  of  super‐cooling.  This  suggests  that  there must  be  a 

critical degree of super‐cooling where the growth of pearlite nodule will be the fastest. Let us 

look at a hypothetical experiment which would help us visualize the same.  

Hypothetical experiment:  Heat a set of steel specimens having 0.8% carbon  to a  temperature around 760°C which  is a 

little higher than the A1 temperature of the steel. Keep them long enough to transform them to 

homogeneous austenite. Transfer one of these to a bath maintained at a temperature T1 which 

is  lower  than  A1.  After  a  time  t1  take  it  out  and  quench  in  water  maintained  at  room 

temperature. Transfer another specimen from the furnace at 760C to the bath at T1, keep it at 

this temperature for time t2 and then quench in water. Repeat the step to get a set of samples 

that  were  kept  at  T1  for  different  lengths  of  time.    Polish  and  etch  the  samples  for 

metallographic  examination.  Estimate  the  amount  of  pearlite  present  in  the  each  of  the 

samples. Find the hardness of the sample  in Rockwell C scale. Plot % pearlite (P) found  in the 

structure as a function of the hold time at temperature T1. Also plot the hardness (Rc) of these 

against hold time at T1. Figure 3 shows the main feature of these plots.  

 

 

 

Grain boundary 

of austenite

Fe3C 

platelet  

%C 

0.8 

% Carbon near the 

tip of the nucleus 

 

A1 

 

 

T = degree of super‐cooling 

(a)  (b) 

Fig 2 

% P 

t 0 

100 

ts  tf 

Rc 

t 0 

64 

ts  tf 

Fig 3 (a)  (b) 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

 

Note the S‐shaped feature of the curve representing the extent of transformation in fig 3(a). It 

shows that pearlite forms only  in specimens that were held at T1 for a period greater than ts, 

which  is  a measure  of  the  time  at which  the  formation  of  pearlite  begins.  The  amount  of 

pearlite that forms at this temperature increases with hold time till it becomes 100% pearlite at 

tf. It denotes the time at which the transformation ends. It is very easy to identify pearlite in the 

microstructure. It has a distinct lamellar feature. If the cementite plates are very closely spaced 

the  lamellar  feature may not  get  resolved. Nevertheless  the  area would  appear  to be much 

darker than the rest. What does the brighter region represent we would know very shortly.  

Figure 3(b) represents the variation  in hardness as a function of hold time at temperature T1. 

Look at the shape of the curve.  It appears to be a mirror reflection of the S‐shape  in fig 3 (a). 

The hardness of the samples which were kept at T1 for a period less than ts is very high. As the 

hold time increases the hardness keeps dropping till it reaches a limiting value. This happens at 

tf, the time at which the transformation is complete.  

The times at which the transformation starts or ends can thus be estimated either by looking at 

the microstructure or from the hardness. The two are expected to be very close. Note the initial 

and  the  limiting value of  the hardness. Repeat  the same experiment at several  temperatures 

below the lower critical temperature A1. The data may be compiled in a tabular form as shown 

in table 1.  Plot these as shown in Fig 4.  This gives two C‐shaped curves for ts and tf. 

Table 1: A record of ts & tf as a function of transformation temperature 

Transformation Temperature  ts  tf 

T1  ts1  tf1 

T2  ts2  tf2 

‐  ‐  ‐ 

Ti  tsi  tfi 

‐  ‐  ‐ 

‐  ‐  ‐ 

Tn  tsn  tfn 

 

 

 

 

 

 

Ms 

Mf 

0

A1 T1 

T2 

Tc 

Tn 

Rc 

+ P

 + B 

 + M 

Pearlite 

(P)

Bainite 

(B) 

Martensite 

(M) t1s  t1f tcs  tcf  tnf tns 

Fig 4 

ts  tf 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

Time Temperature Transformation (TTT) Diagram:  The  plot  shown  in  Fig  4  represents  the  time  at which  the  transformation  of  austenite  to  a 

mixture of ferrite and carbide starts (ts) and the time at which it is finished (tf) as a function of 

temperature. It is commonly known as the time temperature transformation diagram. Often it 

is  referred  to  as  the  TTT  diagram.  This  has  been  obtained  by  an  experiment  where  the 

transformation  takes  place  at  a  constant  temperature.  Therefore  it  is  also  known  as  the 

isothermal transformation diagram of the steel. 

The  transformation  of  austenite  into  an  aggregate  of  ferrite  and  carbide  takes  place  by 

nucleation and growth. The formation of a new constituent in austenite is associated with the 

creation  of  a  new  interface.  At  the  eutectoid  temperature  both  austenite  and  the  ferrite 

carbide  aggregate  are  equally  stable.  The  free  energy  of  transformation  is  zero.  Therefore 

nucleation  that  needs  creation  of  new  interface  cannot  take  place.  Super‐cooling  (�T)  is 

essential  for this to happen. The rate of nucleation  increases with �T  (Fig 2). The growth of a 

stable nucleus needs continuous supply of solutes through the austenite grains surrounding it. 

This  is controlled by  the diffusion of carbon atoms  in austenite.  It decreases with decreasing 

temperature  (Fig 2). As a  consequence as  the  transformation  temperature drops  the  rate of 

transformation  becomes  fasters.  Both  ts  and  tf  keep  decreasing.  During  this  stage  the 

transformation  is  dominated  by  nucleation. However  as  the  temperature  drops  further,  the 

diffusion of carbon becomes very slow. This is when the transformation begins to be dominated 

by the growth. The ts and tf hereafter start increasing. There is a critical temperature at which 

the magnitudes of  ts and  tf are  the  lowest. This  is often called  the knee  (or  the nose) of  the 

curve.  The  rate of  eutectoid  transformation      is  the highest  at  this  temperature.  The  ferrite 

carbide  aggregate  that  forms  above  the  knee  of  the  TTT diagram  is  called  pearlite.  It  has  a 

lamellar  structure  consisting of alternate  layers of  ferrite and  cementite. The product of  the 

eutectoid  transformation occurring  at  temperatures below  the  knee of  the  TTT diagram but 

above  the  line marked Ms  is  known  as  Bainite.  This  too  is  a  fine  aggregate  of  ferrite  and 

carbide.  The  hardness  or  the  strength  of  the  product  is  a  function  of  the  size  and  the 

distribution  of  hard  cementite within  ferrite matrix.  Lower  the  temperature  the  finer  is  the 

structure and finer structure means higher hardness. This is why fig 4 shows that the hardness 

of  the  final  structure  (usually  reported  in  Rockwell  C  scale:  Rc)  increases  with  decreasing 

transformation temperature.  

When the sample is quenched below a temperature marked Ms in fig 4, a totally different kind 

of  transformation  takes  place.  This  does  not  involve  diffusion  at  all.  Therefore  the 

transformation  takes  place  at  a  very  high  speed  approaching  that  of  the  sound.  It  occurs 

through shear displacement.   It is known as Martensitic transformation. The product  is known 

as Martensite.  It  is a phase. Carbon does not precipitate out of austenite. It  is retained within 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

10 

the lattice by force. This results in a distorted body centered unit cell. Ferrite has BCC structure 

where carbon occupies the octahedral interstitial sites.  

Since  the solubility of carbon  in  ferrite  is very  low  (0.002% at room  temperature) only a very 

small fraction of these sites are occupied.  The octahedral sites are not symmetrical. Whenever 

these sites are occupied by carbon the  iron atoms are pushed apart along one of  the 3 axes. 

This  results  in  a  tetragonal  (asymmetric)  distortion.  The  effect  is  not  felt  when  only  an 

infinitesimally  small  fractions  of  these  sites  are  filled  up  by  carbon  atoms. However  if  0.8% 

carbon is retained within the lattice (it is not allowed to precipitate out as carbide) a significant 

number of these sites are occupied by carbon atoms. The lattice gets highly strained. In fact due 

to the asymmetric distortion the crystal structure becomes body centered tetragonal. The c/a 

ratio  is a  little higher  than 1.  In BCC  the c/a  ratio equal  to 1. The c/a  ratio of martensite  is a 

function of  its  carbon  content.  In eutectoid  steel  this may be  around 1.08. Therefore  for  all 

practical  purpose,  the martensite may  be  assumed  to  be  a  supersaturated  solid  solution  of 

carbon in ferrite having BCC structure. The presence of excess carbon is the main reason for the 

tetragonal  lattice  distortion.  This  also  makes  the  structure  very  hard.  The  hardness  of 

martensite is a function of its carbon content. For eutectoid steel it is around Rc 64.  

Since  the  transformation  of  austentite  to  martensite  does  not  involve  any  diffusion,  the 

transformation occurs only as long as the temperature keeps dropping. Such a transformation is 

known as an athermal transformation. It starts at a characteristic temperature called Ms and it 

continues till a characteristic temperature called Mf when  it  is over. Ms  is the temperature at 

which maternsitic transformation starts and Mf is the temperature at which it finishes. 

Refer to fig 3 (b). Note that the hardness of the samples that were held at the transformation 

temperature  for  less than ts have hardness equal to Rc 64. Thereafter  it decreases because a 

part  of  the  austenite  transforms  into  ferrite  carbide  aggregate  having  lower  hardness.  The 

hardness approaches a limiting value which is the characteristic of the final structure. This can 

be as low as Rc 20 if the structure is coarse pearlite.  It can also be very high (~Rc 55) for bainite 

that  forms  at  temperatures  close  to  the  Ms.  Thus  depending  on  the  transformation 

temperature eutectoid steel can have hardness as low as Rc 20 to as high as Rc 64.  

Structures of Pearlite, Bainite & Martensite:  Pearlite  is a mixture of  ferrite and  cementite. The  two are arranged as alternate  layers. The 

plates of cementite are thin whereas those of the ferrite are thick. The widths of the two are in 

the  ratio of 1:7.  The  structure  is often  referred  to  as  lamellar.  The evolution  its  structure  is 

controlled by the diffusion of carbon atoms in austenite. At a higher temperature the diffusion 

distance ( √Dt ) is longer. Therefore the plates of cementite and ferrite are wider. The inter‐

lamellar spacing  is  longer. Such a structure  is called coarse pearlite. At  lower temperature the 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

11 

distance covered by the carbon atoms during the transformation is much shorter. Therefore the 

inter‐lamellar spacing is shorter. This is called fine pearlite. The hardness of coarse pearlite can 

be as  low as Rc 20 whereas  that  fine pearlite can be as high as Rc 35. A sketch of pearlite  is 

shown in Fig 5. 

 

 

 

   

Cm 

Pearlite 

Coarse  Fine 

Bainite 

Upper Lower

Cm Fe2.4C

Martensite 

M or ’ 

Fig 5 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

12 

Figure 5  shows  the main  features of  the  three different  types of microstructures  that  could 

form in 0.8% C steel (eutectoid). If the transformation temperature is less than A1 but greater 

than Tc  (see  fig 4)  the austenite  transforms  into pearlite. Whereas  if  the  temperature  is  less 

than Tc but greater than Ms the austenite transforms into bainite. It is also a mixture of ferrite 

and carbide. There are two variants of bainite. These are called upper and  lower bainite. The 

former consists of fine broken platelets of cementite in a matrix of ferrite. Figure 5 presents a 

sketch of the microstructure of upper bainite. Note the orientation of bainite platelets. These 

are aligned along the direction of growth of the ferrite  lath. The  lower bainite consists of tiny 

rod  like  carbides  aligned  at  a definite  angle  to  the direction of  growth of  ferrite grains. The 

shape of the ferrite grains is different from that in upper bainite. It is acicular (needlelike). The 

carbide too has a different composition. It is represented as Fe2.4C and is commonly known as 

epsilon carbide. A sketch of the microstructure of lower bainite is given in Fig 5. The structure 

of  bainite  is  extremely  fine.    The  lamellar  structure  of  pearlite  particularly  those  of  coarse 

pearlite can be seen under an optical microscope. However you need an electron microscope to 

reveal  the  finer details of  the  structure of bainite. The  lengths of  the  carbides  in bainite are 

much shorter than those in pearlite. This is because bainite forms at a lower temperature. The 

diffusivity of carbon is less. Therefore the average distance covered by carbon is also less. This 

is why the lengths of carbide are much shorter than those in pearlite.   

Figure  5  shows  the  main  features  of martensite  in  eutectoid  steel.  The  transformation  of 

austenite  to martensite  occurs without  any  diffusion  of  carbon  atoms.  It  is  extremely  fast. 

Plates  or  needles  of martensite  form within  austenite  by  shear mechanism.  It  only  involves 

nucleation. The needle that forms first is the longest. It does not extend beyond the boundary 

of austenite. The subsequent needles are shorter. They  too do not cross any boundary. Note 

that there is no precipitate. The structure is homogeneous. This is why it is difficult to etch. The 

martensitic region always appears to be much brighter than the pearlitic or bainitic regions.  

 

 

 

 

 

 

 

   

Fig 6 

Ps 

Pf 

Ms 

Mf 

A1 

Bs 

 + P 

 + B 

 + M

Coarse Pearlite (Rc5‐20) 

Upper Bainite (Rc40‐50) 

Martensite (Rc64) 

Bf 

Fine Pearlite (Rc20‐30) 

Lower Bainite (Rc50‐60) 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

13 

 

Figure 6 gives a  schematic  time  temperature  transformation diagram of eutectoid  steel. The 

structure  and  properties  of  the  final  product  is  a  function  of  the  temperature  at which  the 

transformation takes place. Coarse pearlite has the lowest hardness. The details of its structure 

can be easily seen under optical microscope. The lower the transformation temperature finer is 

the pearlite. Just below the knee of the diagram the transformation product is upper bainite. It 

is also known as feathery bainite. The structure is finer than that of fine pearlite. It is harder as 

well.   The bainite  that  forms at  temperatures nearer  the Ms  is called  lower bainite.  It  is also 

known as acicular bainite. Its hardness is higher than that of upper bainite.  On direct quenching 

to room temperature you get 100% martensite. This has the highest hardness.  

Experimental techniques for determining TTT diagram of steel:  The method described above can be used to generate the TTT diagram of steel. However this is 

a very tedious method of determining the same. It takes a long time as well. There are several 

alternative methods of determining the TTT diagram. One of the most popular techniques uses 

the  dimensional  change  that  takes  place  during  the  decomposition  of  austenite  into  low 

temperature  stable  structures.  This  is  known  as  dilatometer.  Austenite  is  a  close  packed 

structure.  Its density  is higher than that of  its transformation product.  If the  length of a small 

test  piece  is  continuously  monitored  after  it  is  quenched  from  its  austenitic  state  to  a 

temperature  below  A1  and  held  there  you  would  notice  that  the  length  initially  remains 

constant but it begins to increase soon after. The trend continues till it reaches a limiting value. 

A typical dilatometer plot at a constant temperature is shown in fig 7.  The plot gives the time 

at which  the  transformation  starts  (ts)  and  also  the  time  at which  it  finishes  (tf)  at  a  given 

transformation temperature. Thus by performing the experiment over a range of temperature 

you can get a set ts & tf as function of temperature needed to construct the TTT diagram.     

 

 

 

 

 

 

 

L L & T 

 

T1 

ts1  tf1 

Fig 7: A schematic diagram showing typical plots of 

temperature  and  dilation  as  a  function  of  time. 

When  the  sample  is  quenched  to  T1  there  is  an 

initial  drop  in  the  length  due  to  thermal 

contraction.  Thereafter  L  remains  constant.  The 

change sets in with the onset of transformation at 

ts1. The trend continues until the transformation is 

over at tf1. time 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

14 

In  principle  the  TTT  diagram  can  be  generated  by  continuous measurement  of  any  physical characteristic  of  steel  (e.g.  dilation,  electrical  resistance  or  magnetic  property,  thermal analysis). A wide range of commercial equipment is available which can readily be used for this purpose.   Summary:  In this lecture we looked at Fe‐C equilibrium diagram. Fe3C is only a meta‐stable phase. Under 

prolong  thermal exposure at high temperature  it decomposes  into Fe & C. Traces of graphite 

have been detected in several high temperature components of power plants and oil refineries. 

The  tendency of graphitization  increases with  increasing carbon content. Graphite  is a major 

constituent  in several grades of cast iron. We did look at the different types of morphology of 

graphite in cast iron. We also learnt about the correlation between structure and properties of 

steel and cast  iron. The  steel  is  strong yet ductile whereas cast  iron  is brittle. Steel  is  strong 

under tension as well as under compression. Whereas cast iron has good compressive strength 

but  it  has  poor  tensile  strength.  In  the  end  we  looked  at  the  effect  of  transformation 

temperature on the nature of transformation and the structure that evolves in eutectoid steel. 

Depending  on  the  temperature  of  transformation  the  steel  can  have  pearlite  bainite  or 

martensite.  We  learnt  about  the  main  features  of  three  different  structures  and  their 

properties. We also learnt how to construct time temperature transformation diagram for this 

steel. The evolution of microstructure so far was illustrated with the help of a set of schematic 

sketches. Here  are  a  few microstructures  taken  from  the work of one my  colleague  and his 

students.  These  would  help  you  have  an  idea  about  the  main  morphological  features  of 

martensite and bainite in steel. Finer details get revealed only when these are examined under 

SEM and TEM.  

Fig 8: Microstructure of  steel quenched  from austenitic  state  consists  of  martensite  (M), bainite  (B)  and  retained  austenite  (RA). (Curtsey  S  Samanta  &  D  Chakrabarti,  MME 

Fig 9: Microstructure of  steel  quenched  from ferrite  ‐ austenite state consists of martensite (M)  and  ferrite.  (Curtsey  M  Mandal  &  D Chakrabarti,  MME  Department,  I  I  T 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

15 

Department, I I T Kharagpur)  Kharagpur) 

Fig  10  :  SEM  image  of  upper  bainite  (UB)  in steel. Note that the carbides in UB are aligned along the growth direction of ferrite. (Curtsey S  Samanta  &  D  Chakrabarti,  MME Department, I I T Kharagpur) 

Fig 11  : SEM  image of steel having martensite (M)  and  lower  bainite  (LB).  Note  that  the carbides in LB are aligned at an angle with the growth  direction  of  ferrite.  (Curtsey  D Chakrabarti,  MME  Department,  I  I  T Kharagpur) 

 

Fig  12  :  SEM  image  of  steel  having  mostly lower bainite (LB). The finer details of carbides within  a  ferrite  plate  are  clearly  visible. (Curtsey D Chakrabarti, MME Department,  I  I T Kharagpur) 

Fig  13:  TEM  image  of  an  air  hardening  steel after  it has been  tempered.  It consists of  lath martensite  with  carbides  along  lath boundaries. (Curtsey G Krishna et al, CSIR‐NML Jamshedpur) 

  

 

 

 

 

  

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

16 

Exercise:  

1. If an eutectoid steel is kept at 700⁰C what change do you expect? 2. What is the limitation of phase diagram? 3. If a piece of steel having 0.8 % carbon has martensitic stucture can  it be converted to 

fully pearlite structure by holding it at 700⁰ C? 4. Suggest a method of getting a mixture of Pearlite, Bainite & Martensite in an eutectoid 

steel.  5. Which microstructure in eutectoid steel has maximum hardenss? Give reason. 

Answer:  

1. Lamellar structure  is unstable as it has large surface area. Initially the cementite plates would  break  down  in  to  globular  structure.  Size  of  the  globule will  grow with  time. Cementite is also metastable on prolonged thermal exposure it breaks down in to ferrite and graphite.  

2. Phase diagram does not show the effect of cooling rate. It gives the expected phases in an alloy at a given temperature under equilibrium condition.  

3. No.  To  get  pearlitic  structure  it must  be  heated  back  to  austenite  state  then  cooled slowly.  

4. This is possible through two step isothermal transformation in Pearlitic & Bainitic region followed by queching. The cooling scheme is shown below. Note that no transformation takes  place  during  quenching  (fast  cooling:  the  virtical  step  in  cooling  curve)  if temperature is above Ms.   

  

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Martenstic  structure  has  the maximum  hardness.  This  is  because  of  the  presence  of carbon atoms  in the  interstices  is far  in excess of  its normal solubility  in  ferrite  lattice.  This  results  in  tetragonal  lattice  distortion.  This  makes  dislocation  movement  very 

P

B

+P 

+M 

Ms 

Mf 

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  |  |   

17 

difficult.  This  in  conjuction  with  extremely  fine microstructure  account  for  the  high hardness of Martensite.