Mechanical Engineering

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…

A precipitation reaction is a reaction in which soluble ions in separate solutions are mixed together to form an insoluble compound that settles out of solution as a solid. That insoluble compound is called a precipitate

The strength and hardness of some metal and alloys may be enhanced by the formation of extremely small uniformly dispersed particles of a second phase within the original phase matrix; this  must  be  accomplished  by  phase  transformations  that  are  induced  by  appropriate  heat treatments. The process is called precipitation hardening because the small particles of the new phase  are  termed  “precipitates”.  Precipitation  hardening  and  the  treating  of  steel  to  form tempered matrensite are totally different phenomena, even though the heat treatment procedures are similar.

The eutectoid (eutectic-like) reaction is similar to the eutectic reaction but occurs from one solidphase to two new solid phases. It also shows as V on top of a horizontal line in the phase diagram. There are associated eutectoid temperature (or temperature), eutectoid phase, eutectoid and proeutectoid microstructures. The peritectic reaction also involves three solid in equilibrium, the transition is from a solid + liquid phase to a different solid phase when cooling. The inverse reaction occurs when heating.

Case of lead-tin alloys, A layered, eutectic structure develops when cooling below the eutectic temperature. Alloys which are to the left of the eutectic concentration (hipoeutectic) or to the right (hypereutectic) form a proeutectic phase before reaching the eutectic temperature, while in the solid + liquid region. The eutectic structure then adds when the remaining liquid is solidified when cooling further. The eutectic microstructure is lamellar (layered) due to the reduced diffusion distances in the solid state. To obtain the concentration of the eutectic microstructure in the final solid solution, one draws a vertical line at the eutectic concentration and applies the lever rule treating the eutectic as a separate phase.

a) Equilibrium cooling Solidification in the solid + liquid phase occurs gradually upon cooling from the liquidus line. The composition of the solid and the liquid change gradually during cooling (as can be determined by the tie-line method.) Nuclei of the solid phase form and they grow to consume all the liquid at the solidus line. b) Non-equilibrium cooling Solidification in the solid + liquid phase also occurs gradually. The composition of the liquid phase evolves by diffusion, following the equilibrium values that can be derived from the tie-line method. However, diffusion in the solid state is very slow. Hence, the new layers that solidify on top of the grains have the equilibrium composition at that temperature but once they are solid their composition does not change. This lead to the formation of layered (cored) grains (Fig. 9.14) and to the invalidity of the tie-line method to determine the composition of the solid phase (it still works for the liquid phase, where diffusion is fast.)