Carbon steel is steel in which the main interstitial alloying constituent is carbon in the range of 0.12–2.0%. The American Iron and Steel Institute (AISI) defines carbon steel as the following: "Steel is considered to be carbon steel when no minimum content is specified or required for chromium, cobalt, molybdenum, nickel, niobium, titanium, tungsten, vanadium or zirconium, or any other element to be added to obtain a desired alloying effect; when the specified minimum for copper does not exceed 0.40 percent; or when the maximum content specified for any of the following elements does not exceed the percentages noted: manganese 1.65, silicon 0.60, copper 0.60. Types: Carbon steel is broken down into four classes based on carbon content: Mild and low-carbon steel Mild steel also known as plain-carbon steel, is the most common form of steel because its price is relatively low while it provides material properties that are acceptable for many applications, more so than iron. Low-carbon steel contains approximately…

Isothermal Transformation Diagrams We use as an example the cooling of an eutectoid alloy (0.8 % C) from the austenite (γ- phase) to pearlite, that contains ferrite (α) plus cementite (Fe3C or iron carbide). When cooling proceeds below the eutectoid temperature (727 oC) nucleation of pearlite starts. The S-shaped curves (fraction of pearlite vs. log. time, fig. 10.3) are displaced to longer times at higher temperatures showing that the transformation is dominated by nucleation (the nucleation period is longer at higher temperatures) and not by diffusion (which occurs faster at higher temperatures). The family of S-shaped curves at different temperatures can be used to construct the TTT (Time- Temperature-Transformation) diagrams   For these diagrams to apply, one needs to cool the material quickly to a given temperature To before the transformation occurs, and keep it at that temperature over time. The horizontal line that indicates constant temperature To intercepts the…

(TTT) diagrams measure the rate of transformation at a constant temperature. In other words a sample is austenitised and then cooled rapidly to a lower temperature and held at that temperature whilst the rate of transformation is measured, for example by dilatometry. Obviously a largenumber of experiments is required to build up a complete TTT diagram. • An increase in carbon content shifts the TTT curve to the right (this corresponds to an increase in hardenability as it increases the ease of forming martensite - i.e. the cooling rate required to attain martensite is less severe). • An increase in carbon content decreases the martensite start temperature. • An increase in Mo content shifts the  TTT curve to the right and also separates the ferrite + pearlite region from the bainite region making the attainment ofa bainitic structure more controllable.

Alloying strengthens metals by hindering the motion of dislocations. Thus, the strength of Fe–C alloys increase with C content and also with the addition of other elements.

The eutectoid composition of austenite is 0.8 wt %. When it cools slowly it forms perlite, a lamellar or layered structure of two phases: α-ferrite and cementite (Fe3C). Hypoeutectoid alloys contain   proeutectoid   ferrite   plus   the   eutectoid   pearlite.   Hypereutectoid   alloys   contain proeutectoid cementite plus pearlite. Since reactions below the eutectoid temperature are in the solid phase, the equilibrium is not achieved by usual cooling from austenite

-    Hypoeutectoid steels (carbon content from 0 to 0.83%) consist of primary (proeutectoid) ferrite (according to the curve A3) and Pearlite. -     Eutectoid steel (carbon content 0.83%) entirely consists of Pearlite. -    Hypereutectoid steels (carbon content from 0.83 to 2.06%) consist of primary (proeutectoid) cementite (according to the curve ACM) and Pearlite. -     Cast irons (carbon content from 2.06% to 4.3%) consist of cementite ejected from austenite according  to  the  curve  ACM ,  Pearlite  and  transformed  ledeburite  (ledeburite  in  which austenite transformed to pearlite). When the liquid of eutectic composition is cooled, at or below eutectic temperature this liquid transforms simultaneously into two solid phases (two terminal solid solutions, represented by αand β). This transformation is…

-     Upper critical temperature (point) A3 is the temperature, below which ferrite starts to form as a result of ejection from austenite in the hypo-eutectoid alloys. -     Upper critical temperature (point) ACM is the temperature, below which cementite starts to form as a result of ejection from austenite in the hyper-eutectoid alloys. -     Lower critical temperature  (point)  A1 is  the  temperature  of  the  austenite-to-Pearlite eutectoid transformation. Below this temperature austenite does not exist. -     Magnetic transformation temperature A2 is  the  temperature  below  which  α-ferrite is ferromagnetic.

The Iron–Iron Carbide (Fe–Fe3C) Phase Diagram This is one of the most important alloys for structural applications. The diagram Fe—C is simplified at low carbon concentrations by assuming it is the Fe—Fe3C diagram. Concentrations are usually given in weight percent. The possible phases are: •   α-ferrite (BCC) Fe-C solution •   γ-austenite (FCC) Fe-C solution •   δ-ferrite (BCC) Fe-C solution •   liquid Fe-C solution •   Fe3C (iron carbide) or cementite. An intermetallic compound. The  maximum  solubility  of  C  in  α-  ferrite  is  0.022  wt%.  δ−ferrite  is  only stable  at  high temperatures. It is not important in practice. Austenite has a maximum C concentration of 2.14 wt %. It is not stable below the eutectic temperature (727 C) unless cooled rapidly (Chapter 10). Cementite is in reality metastable, decomposing into α-Fe and C when heated for several years between…

A solid solution may be formed when impurity atoms are added to a solid, in which case the original crystal structure is retained and no new phases are formed. •     Substitutional solid solutions: impurity atoms substitute for host atoms, and appreciable solubility is possible only when atomic diameters and electronegativities for both atom types are similar, when both elements have the same crystal structure, and when the impurity atoms have a valence that is the same as or less than the host material. •     Interstitial solid solutions: These form for relatively small impurity atoms that occupy interstitial sites among the host atoms

From a micro structural standpoint, the first process to accompany a phase transformation is nucleation- the formation of very small particles or nuclei, of the new phase which are capable of growing. The second stage is growth, in which the nuclei increase in size; during this process, some volume of the parent phase disappears. The transformation reaches completion if growth of these new phase particles is allowed to proceed until the equilibrium fraction is attained. As would be expected, the time dependence of the transformations rate (which is often termed the kinetics of a transformation) is an important consideration in the heat treatment of materials. With many investigations, the fraction of reaction that has occurred is measured as a function of time,  while  the  temperature  is  maintained  constant.  Transformation  progress  is  usually ascertained by either microscopic examination or measurement of some physical property. Data are plotted as the fraction of transformed material versus the logarithm of time; an S-shaped curve, represents the typical…