Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … -...

18
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | || 1 Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I

Transcript of Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … -...

Page 1: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

Module 23

Iron Carbon System I

Lecture 23

Iron Carbon System I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

 

Keywords : Ferrite (), Austenite (), Ferrite (d): three different forms of iron, solubility of carbon in 

different forms of iron, cementite, graphite, Fe – Fe3C meta‐stable phase diagram, pearlite, ledeburite, 

hypo‐eutectoid steel, hyper‐eutectoid steel, hypo‐eutectic white cast iron, hyper‐eutectic white cast 

iron 

Introduction 

The  last  five  modules  were  devoted  to  the  solidification  behavior  of  binary  alloys.  This  is  best 

represented by its phase diagram. We are now familiar with a wide range of simple and complex phase 

diagrams. However while introducing this we only considered hypothetical cases. Now let us consider a 

specific binary alloy of considerable  importance. We are going to talk about  iron ‐ carbon system.  Iron 

can exist  in two different crystalline forms. These are BCC and FCC. This  is known as allotropy. Carbon 

too has several allotropic forms. However the form which is of relevance to this system is graphite. It has 

a hexagonal structure. This is considered to be the most stable state of carbon. An atom of carbon atom 

is significantly smaller than that of iron. Therefore it can be accommodated within the interstitial sites of 

iron  lattice resulting  in an  interstitial solid solution. Solubility carbon  is  likely to be  limited. Apart from 

this iron has a strong affinity to form carbide. The most common form is cementite. Its chemical formula 

is Fe3C. This is truly a meta‐stable.  However the rate of decomposition of Fe3C into Fe and C is extremely 

slow.  In most of the common grades  iron – carbon alloy excess carbon  is present as cementite. Let us 

first look at the Fe‐Fe3C meta‐stable phase diagram and in a later module we shall discuss about iron – 

graphite phase diagram as well. The alloys belonging to this system  is popularly known as steel or cast 

iron. We would soon learn about the difference between the two. 

Solidification of pure iron: 

Fe : crystal structure

Solubility of carbon in Fe = f(structure, temperature)

Where is the carbon located in iron lattice?

T

1539

910

time

Liquid

BCC

FCC

BCC

1394

770Ferromagnetic

Paramagnetic

 

Slide 1 

Page 3: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

The  sketch  in  slide 1  is a  typical  cooling  curve of pure  iron.  Solidification begins with nucleation and 

growth of crystals of  iron at 1539°C.  It  is BCC  (body centered cubic). At 1394°C  it transforms  into FCC 

(face centered cubic) structure. This is stable till 910°C where it again transforms into BCC. Each of these 

transformations appears as steps on the cooling curve. Apart from this there is another transformation 

which may  not  get  detected  by  thermal  analysis.  This  is  the  transformation  from  paramagnetic  to 

ferromagnetic state.  It occurs at 770°C. This  is known as  its Curie  temperature. The property which  is 

most  sensitive  to detect  it,  is magnetic permeability. The  three different  forms of  iron are  known as 

ferrite (), stable until 910°C, austenite (), stable from 910°‐1394°C and ferrite (), stable from1394°–

1539°C.   Note that the BCC form of  iron  is known as ferrite. Therefore  in order to distinguish between 

the two, the high temperature form is termed as delta ferrite.  If carbon atoms are introduced into iron 

these are likely to occupy the interstitial sites because the atoms carbon are much smaller than those of 

iron atoms. The interstitial sites in BCC and FCC are shown in slide 2. The solubility of carbon in iron is a 

function of temperature and crystal structure. 

Solubility of carbon is higher in BCC or FCC? 

a

b

c

a

b

c

Interstitial sites in iron lattice

BCC FCC

Lattice site

Interstitial site

 

Slide 2 shows the lattice sites occupied by iron atoms and possible interstitial sites for carbon atoms in 

both BCC & FCC structures. The interstitial sites shown here are known as octahedral sites. The sketches 

in slide 2 show only the positions of iron atoms and the interstitial sites in one unit cell. The sites located 

within the cell belong exclusively to a unit cells but those lying on the faces, the edges or the corners are 

shared by the neighboring unit cells as well. BCC has eight corner sites for iron atoms. Each of these  is 

shared by 8 neighboring unit cells. The contribution of corner site  is thus 1/8. The atom at the centre 

belongs exclusively to this unit cell. Therefore the number of iron atoms / unit cell = 8 x (1/8) + 1 = 2. Let 

Slide 2 

Page 4: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

us use the same approach to estimate the number of  interstitial sites /unit cell for BCC structure. The 

sketch in slide 2 shows the locations of interstitial sites. There are 6 sites at the centers of 6 faces. Each 

face is shared by two unit cells. There are 12 sites at each of the 12 edges. Each of these is shared by 4 

neighboring cells. Therefore the number of  interstitial sites / unit cell  in BCC crystal = 12 x  (1/4) + 6 x 

(1/2) = 6. Note that it is 3 times the number of Fe atoms in a unit cell. Look at the sketch for FCC unit cell 

in slide 2. Count the number of  lattice sites. Follow the same approach to show that the number of Fe 

atoms / unit cell = 6 x (1/2) + 8 x (1/8) = 4. In the same way the number of interstitial sites / unit cell in 

FCC structure = 1 + 12 x (1/4) = 4. Note that in FCC structure the ratio of the number of interstitial site to 

the number of lattice sites = 1.  Now that we know about the possible sites carbon atoms could occupy 

is it possible to guess which of these is likely to have higher solubility? 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1(a): Shows  the  lattice and  the  interstitial sites  in a BCC unit cell. Circles are  the  lattice sites. The 

black dots are  the  interstitial sites.  In a  lattice several of such cells are stacked one after  the other. F 

represents the body center site in a unit cell just above the one shown in the sketch. The figure ABCDEF 

formed by joining the lattice sites as illustrated is an octahedron. There is an interstitial site at its center 

marked  as O.  All  the  interstitial  sites  are  identical. Note  that  AB  =  BC  =  CD  = DA  =    =  the  lattice 

parameter. The other edges of the octahedron AE = BE = CE = DE = AF = BF = CF = DF = √3/2. It is not a regular octahedron. The interstitial site in BCC structure is not symmetrical. The gap along EF is shorter 

than  that  along  AC  or  DB.  It  is 2 √3 /2.  The  lattice  parameter  of  BCC  iron  called  ferrite  is 

0.286nm. The shortest gap is equal to 0.038nm.  

Fig. 1(b): Shows  the  lattice and  the  interstitial sites  in a FCC unit cell. Circles are  the  lattice sites. The 

black dots are the interstitial sites. In a lattice several of such cells are stacked one after the other. The 

figure ABCDEF formed by  joining the  lattice sites as  illustrated  is an octahedron. There  is an  interstitial 

site at its center marked as O. All the interstitial sites are identical. Note that AB = BC = CD = DA = AE = 

BE = CE = DE = AF = BF = CF = DF = √  , where   = the lattice parameter. It is a regular octahedron. The 

interstitial  site  in  FCC  structure  is  symmetrical.  The  gap  along  EF  is  equal  to  that  along AC or DB.  It 

is 2 √2 /2. The lattice parameter of FCC iron called austenite is 0.362nm. The interstitial gap is 

equal to 0.106nm. It is much larger than the interstitial gap in ferrite.  

B A 

D  C 

(a) 

(b) 

B C 

O Fig 1 

Page 5: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

FCC has higher packing density than BCC. Yet the solubility of carbon is FCC is higher. This is because the 

interstitial  sites  in FCC are bigger  than  that  in BCC. There are  two  types of  interstitial  sites known as 

octahedral and tetrahedral. In FCC the tetrahedral sites are surrounded by four close packed atoms. The 

gap is extremely small, whereas in BCC the four atoms are more widely spaced. The tetrahedron is not 

symmetric. The shortest dimension (size) of tetrahedral sites in BCC lattice was derived in module 5. This 

is nearly same or marginally lower (0.036nm) than that of the octahedral site (0.038nm). The number of 

such sites is much more than that of the octahedral sites. Although the packing density in BCC is lower 

than  that  of  FCC,  the  gaps  are  equally  distributed  between  two  types  of  interstices making  these 

significantly smaller than that of FCC. This is why the solubility of carbon which is an interstitial solute is 

significantly lower in ferrite (BCC) than that in austenite (FCC). Apart from this the interstitial site in BCC 

is  asymmetric. When  a  carbon  atom  goes  into  the  interstices  the  atoms  along  one  of  the  axes  are 

pushed  further  apart.  This  results  in  a  tetragonal  distortion. We  shall  talk  about  it  in  one  of  the 

subsequent modules. 

Phases in iron – carbon binary system: 

Iron can exist in three different crystalline forms each having limited solubility of carbon.  The stability of 

these depends on temperature and composition. The two high temperature forms of  iron are  ferrite which  is  BCC  (stable  above  1394°C)  and  austenite  (stable  above  910°C)  which  is  FCC.  The  room 

temperature  form of  iron  is   ferrite which  is BCC.  The  solubility of  carbon  in  ferrite  is  limited.  The 

maximum  solubility  is around 0.025wt% as against  this  the  solubility of  carbon  in austenite  is a  little 

more.  It  is  about  2wt%.  Apart  from  this  iron  carbon  system  may  have  iron  carbide  (Fe3C)  called 

cementite.  It has 6.67% carbon.  It  is considered as an  inter‐metallic compound having relatively more 

complex crystal structure than those of ferrite and austenite. It  is a meta‐stable phase. It may exist for 

indefinite periods of time at room temperature. However on prolonged thermal exposure at 600°C or 

beyond  it transforms  into ferrite and graphite. Therefore  iron carbon alloys of commercial  importance 

may be considered as a binary alloy of  iron and cementite.   Let us  first  look at  its phase diagram.  It  is 

also  known as  iron  cementite meta‐stable phase diagram. Although  it  is a binary  system  there are 5 

different phases  including the liquid. This  is  likely to have more than one  invariant reaction  involving 3 

phases.  

Page 6: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

Iron – cementite phase diagram

1148

L

Hypoeutectic Hyper-eutectic

% C0.8 2.0 4.30

727

910

1394

1539

Hypo eutectoid

Hyper eutectoid

6.67

+ L L + Cm

+ Cm

+ L

+

Eutectoid isotherm

Eutectic isotherm

Peritecticisotherm

 

Slide 3 gives a schematic Fe‐Fe3C phase diagram. It has 3 invariant reactions (transformation). These are 

given in slide 4. The one occurring at 1495°C is the peritectic reaction. The delta ferrite reacts with liquid 

to form austenite. The one at 1148°C is known as the eutectic reaction where the liquid transforms into 

a mixture of austenite and cementite. The eutectic is known as Ledeburite. The one at 727°C is known as 

eutectoid transformation where austenite decomposes  into a mixture of  ferrite and cementite. This  is 

known as Pearlite. On the basis of this diagram  iron – carbon alloys having  less than 2.0% carbon are 

known as steel, whereas those having more than 2.0% carbon are known as cast iron. This classification 

is based on their ability to undergo large plastic deformation. Steel is ductile but cast iron is brittle. 

 

 

 

 

Steel: 

It  is  an  iron  carbon  alloy  where most  of  the  carbon  is  present  as meta‐stable  iron  carbide  called 

cementite. The upper limit of carbon content is 2%. Phase diagram helps us guess the structure of alloys 

and  their  properties.  Let  us  look  at  what  kinds  of  structure  steel  could  have  depending  on  its 

composition. We would only consider the structure that develops under equilibrium rate of cooling.  The 

steel  on  solidification  is  expected  to  have  fully  austenitic  structure.  It  may  be  assumed  to  be 

Slide 3 

 

Slide 4 

Page 7: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

homogeneous since the rate of cooling is considered to be slow. Depending on its composition we may 

have 3 types of structures. (i) % carbon < 0.02 (ii) 0.02 < % carbon < 0.8 (iii) 0.8 < % Carbon < 2.0.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i) Figure 2 explains the solidification behavior of steel having less than 0.02% carbon with the 

help of a set of schematic diagrams. The sketch on the left shows a part of the equilibrium 

diagram  (Fe‐Fe3C) with  the  location of  the alloy by a vertical dotted  line.  It  intersects  the 

liquidus,  solidus,  and  a  set of  solvus  curves. These  are projected on  to  the  cooling  curve 

shown  on  the  right with  the  help  of  a  set  of  horizontal  lines.  The  cooling  curve  exhibits 

inflection points at each of these  intersections. Solidification begins with precipitation of a 

few  grains  of    ferrite.  The  top  most  microstructure  corresponds  to  this  stage.    The 

solidification takes place by nucleation and growth. The composition of the  liquid and the 

solid keeps changing during  this stage. When solidification  is complete  the entire  liquid  is 

replaced by  ferrite having the same composition as that of the alloy.  This is shown by the 

second schematic structure from the top in Fig 2. The structure remains unchanged until the 

temperature  crosses  the  boundary  between    /    phase  fields.  Thereafter  austenite precipitates from  ferrite. The grain corners and boundaries are the preferred sites where grains of austenite nucleate. The  third microstructure  from  the  top  in Fig 2  represents  its 

main features. It consists of grains of  (white) and a few grains of  (grey). There is partition of  carbon  between  these  two  phases.  Bulk  of  the  carbon  goes  into  austenite.  The 

composition of the two keeps changing as the temperature drops. The volume fraction of  increases at the cost of . When the %carbon in austenite becomes equal to that of the steel 

 ferrite disappears. The structure now consists of 100% austenite. Note the main features 

of the fourth microstructure from the top in Fig 2. The grain size is finer than that of 100%  ferrite. The structure remains as 100% austenite until the temperature drops below the line 

representing  the boundary between    and  phase  fields of  the equilibrium diagram. 

This  is where   ferrite  starts  precipitating  from  austenite.  The  grain  boundaries  and  the 

 

T°C 

Wt% C0.8  2.0 0.02 0 

1539 

1495 

1394 

727 

910 

+ L 

+ L 

 + Cm 

 + Cm 

L

+ Cm

time

T

L + 

L

Fig 2 

Page 8: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

grain corners are the preferred sites for precipitation. The fifth sketch from the top of Fig 2 

is  a  typical  representation of  its microstructure  at  this  stage.  Ferrite  grains are  shown  as 

white  and  austenite  grains  are  shown  as  grey.  This  continues  through nucleation of new 

grains and growth of the existing ones until the temperature drops below the line between 

 and  phase fields of the phase diagram. At this stage the structure is 100% ferrite (). The  6th  sketch  in  Fig  2  is  a  typical  representation  of  the  microstructure.  This  remains 

unchanged  till  the  temperature  drops  below  the  solvus.  At  this  stage  excess  carbon 

precipitates  as  cementite.  The  last  sketch  in  Fig  2  is  a  typical  representation  of  its 

microstructure. The amount of cementite keeps increasing as the room temperature drops. 

It can be estimated by lever rule. From the phase diagram it is evident that the steel at room 

temperature would consist of ferrite with a few specks of cementite. If % carbon in the steel 

is  0.01  the  amount  of  cementite  is  given  by  (0.01/6.67)x100  =  0.15%.    The  grains  are 

relatively finer than that after solidification.  

 

 

 

 

 

 

 

 

(ii) Figure 3 explains the solidification behavior of steel having greater than 0.02% carbon but 

less than 0.8% carbon with the help of a set of schematic diagrams. The sketch on the  left 

shows a part of the equilibrium diagram (Fe‐Fe3C) with the location of the alloy by a vertical 

dotted line. It has around 0.18% carbon. It intersects the liquidus and a set of lines denoting 

either  phase  field  boundaries  or  isotherms  representing  3  phase  equilibrium.  These  are 

projected on  to  the cooling curve  shown on  the  right with  the help of a set of horizontal 

lines. The  cooling  curve exhibits  inflection points or  steps  (discontinuity) at each of  these 

intersections. Solidification begins with the precipitation of a few grains of  ferrite. The first microstructure  from  the  top  corresponds  to  this  stage.    Solidification  takes  place  by  the 

nucleation of new grains and the growth of the existing ones. The composition of the liquid 

and  the  solid  keeps  changing  during  this  stage. When  the  temperature  reaches  1495°C 

peritectic  reaction  sets  in.  This  is  an  invariant  reaction.  The  liquid  having  0.55%  carbon 

reacts with   ferrite having 0.08%  carbon  to  form austenite  () having 0.18% carbon. The amount  of  is  just  enough  to  consume  the  remaining  liquid.  The  alloy  on  solidification 

 

Fig 3 

T°C 

Wt% C0.8  2.00.02 0 

1539 

1495 

1394 

727 

910 

+ L 

+ L 

 + Cm 

 + Cm 

L

L

  

time

T

Pearlite 

Page 9: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

consists  of  austenite  ()  having  0.18%  carbon.  This  is  shown  by  the  second  schematic 

structure  from  the  top  in  Fig  3.  The  structure  remains  unchanged  until  the  temperature 

crosses the boundary between  /  phase fields. Thereafter ferrite () precipitates from 

(  austenite.  The  grain  corners  and  boundaries  are  the  preferred  sites where  grains  of ferrite nucleate. The  ferrite precipitating  from austenite  is known as pro‐eutectoid  ferrite. 

The  third microstructure  from  the  top  in Fig 3  represents  its main  features.  It  consists of 

grains of pro‐eutectoid   (white) and a  few grains of   (grey). There  is partition of carbon between these two phases. Bulk of the carbon goes into austenite. The composition of the 

two keeps  changing as  the  temperature drops. The volume  fraction of   increases at  the cost of . When %  carbon  in austenite  reaches 0.8% eutectoid  reaction  sets  in. This  is an 

invariant  reaction. As  long  as  it  continues  the  temperature  remains  constant. During  this 

stage both cementite and  ferrite  start precipitating  from austenite at  the  same  time. The 

product  is an  intimate mixture of two phases.  It  is known as pearlite.  It consists of parallel 

layers (plates) of ferrite and cementite. Figure 4 gives a series of sketches showing various 

stages  involved  in  the  formation of pearlite. When a cementite plate nucleates as  in  (Fig. 

4(a)) at an austenite boundary  it  takes carbon  from  its neighboring area. This  results  in a 

change  in  local  carbon profile  as  shown  in  the  sketch.  Just beside  cementite % C  =  0.02 

whereas at a distance  far  from  this  it approaches 0.8 % C  (this  is  the  composition of  the 

eutectoid). When this becomes low enough a ferrite plate nucleates. Figure 4 (b) illustrates 

this. Note the change  in carbon concentration as a function of distance. Figure 4 (c) shows 

the arrangement of ferrite cementite plates in a colony of pearlite. The width of the two is 

approximately  proportional  to %  ferrite  and %  cementite  in  eutectoid  steel  having  0.8% 

carbon. Using  lever  rule %  cementite  in  pearlite  =100  x  (0.8‐0.025)  /  (6.67‐0.025)  =  12% 

(approximately). Therefore % ferrite = 88%. The ratio of the two  is approximately equal to 

1:7. This means  the width of  the  ferrite plate will be  seven  times  the width of cementite 

plate. On completion of the eutectoid reaction the structure consists of pro‐eutectoid ferrite 

and pearlite. Note  the main  features of  the  fourth microstructure  from  the  top  in  Fig  3. 

When the temperature drops below the eutectoid temperature, excess carbon from ferrite 

() precipitates as cementite. This is known as tertiary cementite (Why this is called tertiary 

will be clear from subsequent part of this module). However the change in structure below 

the  eutectoid  temperature  is  too  little  to  detect.  Steels  having  carbon within  0.02  –  0.8 

consist of ferrite and paerlite. They are known as hypo‐eutectoid steel. 

 

 

 

 

 

  Fig 4 

Austenite 

boundary 

Fe3C 

% C  

6.67  

0.8   0.8 

x 0.02   0.02 

Austenite 

boundary 

Fe3C 

% C 

6.67 

0.8   0.8 

x0.02  0.02  Ferrite 

Austenite 

boundary 

Pearlite 

colonyFe3C  

(a)  (b) 

(c)   (d)  Structure 

Page 10: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

10 

 

Hyper-eutectoid steel (0.8-2.0% C)

L

% C0.8 2.00

723

910

1394

1539 L

L+

Cm

Time

(a)

L

(a)(a)(a)(a)(a)

Cm

P

Cm

 

(iii) Slide 5 explains the solidification behavior of steel having greater than 0.8% carbon but less 

than 2.0% carbon with  the help of a set of schematic diagrams. Such steels are known as 

hyper‐eutectoid steel. The sketch on the  left shows a part of the equilibrium diagram  (Fe‐

Fe3C) with the  location of  the alloy as a vertical dotted  line.  It has around 1.0% carbon.  It 

intersects  the  liquidus, solidus,  solvus and  the eutectoid  reaction  isotherm  representing 3 

phase equilibrium. These are projected on to the cooling curve shown on the right with the 

help  of  a  set  of  horizontal  lines.  The  cooling  curve  exhibits  inflection  points  or  a  step 

(discontinuity)  at  each of  these  intersections.  Solidification begins with precipitation of  a 

few  grains  of    austenite.  The  top most microstructure  corresponds  to  this  stage.    The 

solidification takes place by nucleation of new grains and growth of the existing ones. The 

composition  of  the  liquid  and  the  solid  keeps  changing  during  this  stage.  When  the 

temperature reaches that of the solidus the composition of the solid becomes equal to that 

of  the  steel. The alloy on  solidification consists of 100% austenite  () having 1.0%  carbon (say). This is shown by the second schematic structure from the top in slide 5. The structure 

remains unchanged until the temperature crosses the solvus, the boundary between  / + Cm phase fields. At this stage cementite starts precipitating from austenite. It grows at the 

cost of austenite. The % carbon  in austenite keeps decreasing as the amount of cementite 

increases. The grain boundary is the most favored site for precipitation. The fourth structure 

from  the  top  in  slide 5  gives a  typical  structure of  steel at  this  stage. When %  carbon  in 

austenite decreases to 0.8% eutectoid reaction sets in. This is an invariant reaction. As long 

as  it  continues  the  temperature  remains  constant. During  this  stage  both  cementite  and 

Slide 5 

Page 11: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

11 

ferrite  start  precipitating  from  austenite  at  the  same  time.  The  product  is  an  intimate 

mixture of two phases.  It  is known as pearlite. The details about the pearlitic structure are 

shown in Fig 4. Cementite is a hard and brittle phase. The presence of a continuous network 

of  cementite makes  steel extremely brittle. There are methods  to avoid  the  formation of 

such a network to make it suitable for engineering applications. We shall learn about in one 

of the subsequent modules. 

Estimation of the amount of micro‐constituents in steel from phase diagram: 

The micro‐constituents in steel are ferrite, austenite, cementite and pearlite. Out of these austenite 

is not stable at room temperature. When we look at microstructures of steel we get an idea about 

the distribution of various  constituents.  If  the  composition or % carbon  in  steel  is known we  can 

estimate the volume fraction (weight fraction) of each the likely constituents.  

 

 

 

 

 

 

Figure 5 gives the relevant part of Fe‐Fe3C phase diagram. For practical purpose we may assume that the 

solubility  of  carbon  in  ferrite  is  negligible.  The  general  expressions  for  the  amount  of  Pearlite  (P), 

Cementite (Cm), Pro‐ eutectoid Ferrite & Total ferrite ()  in a hypo‐eutectoid steel having x% C are as follows.  

% 100.

100  

% 100.

.100  

% 100.

100  

% .

100.

.100   

This  truly  gives weight %  of  various  constituents. When  you  look  at  the microstructure  you  get  an 

estimate of volume %. However  if the density of the phases are known weight % can be converted to 

volume %. In the case of steel the density of ferrite is 7.87 g/cc and that of cementite is 7.662. Although 

the difference is not much the amount of Cm seen in a microstructure (volume fraction) will be a  little 

more than weight fraction obtained from the lever rule.  

0  

910  

0.8  2.0   4.3  6.67 0.02 

727 

1145 

 + Cm  

 + Cm  

a  b  c  d  e 

(x)  (y)  Fig  5:  Shows  how  to  estimate  the  amounts  of 

micro‐constituents  in  steel at  room  temperature. 

The  phase  diagram  gives  approximate  %  C  for 

various points of interest. These are denoted as a, 

b, c, d, & e. % C in a hypo‐eutectoid steel is x and 

that in hyper‐eutectoid steel is y.  

Page 12: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

12 

 

 

Microstructure of Fe‐Fe3C eutectic: 

The slide 6 explains the solidification behavior of Fe‐Fe3C eutectic. This  is the binary  iron‐carbon alloy 

having the lowest melting point. It solidifies as eutectic at 1148°C. It is known as Ledeburite. 

Structure of eutectic (Ledeburite)

L

cm

cm

time

T

% in eutectic at TE = (de/ce) x100

a b c d

T

e

% P in eutectic at RT = (de/be) x100

 

%  carbon  in  the  eutectic  is  4.3.  Solidification  occurs  at  a  constant  temperature.  Immediately  after 

solidification the alloy consists of a mixture of austenite and cementite. % austenite = 100 x (e‐d)/(e‐c) = 

100  x  (6.67  –  4.3)/(6.67‐2.0)  =52%  (approx).  The  solubility  of  carbon  in  austenite  decreases  with 

decreasing temperature. At the eutectoid temperature the solubility of carbon in austenite is only 0.8%. 

Therefore as the alloy cools cementite precipitates  from the austenite  in the eutectic. % austentite at 

the eutectoid temperature (just before the decomposition of austenite starts) = 100 x (e  ‐ d)/(e – b) = 

100 x (6.67 – 4.3)/(6.67 – 0.8) = 41% (approx). When the eutectoid reaction sets in the austenite having 

0.8%  carbon  transform  into pearlite.  The  eutectic  after  this  transformation  is  known  as  transformed 

Ledeburite. It approximately consists of 41% Pearlite in a matrix of cementite. Figure 6 shows the main 

features of  the eutectic  that  forms at 1148°C.  It  is  initially a mixture of  cementite and austenite. On 

cooling the % cementite  increases and the carbon content of austenite decreases till  it reaches 727°C. 

This  is where  the austenite having 0.8%  carbon  transforms  into pearlite. Thereafter as per  the phase 

diagram % ferrite within the pearlitic region would decrease as some cementite would precipitate out of 

it. This is due to the decrease in the solubility of carbon in ferrite with decreasing temperature. However 

the change is too little to be detected from the microstructure.  

Slide 6 

Page 13: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

White cast iron: 

If % carbon is greater than 2.0 but less than 6.67 the Fe‐Fe3C alloy is known as white cast iron. Such an 

alloy  can be easily  cast  into  various  shapes but  it has poor ductility. The  fracture  surface has  silvery 

white luster. This is why it is known as white cast iron. On the basis of its microstructure there are two 

types of white cast iron. These are (i) hypoeutectic white cast iron (2.0 < % C < 4.3) and (ii) hypereutectic 

white cast iron (4.3 < %C < 6.67). Cementite (Fe3C) is the hardest constituent in the Fe – Fe3C system. Its 

hardness  is  of  the  order  of  1000HV  (Vickers  Hardness  Number).  This  is  why  it  has  excellent  wear 

resistance. Recall that the % carbide  in eutectic  is around 60%. Hard materials are known to be brittle. 

There is no wonder that white cast iron has poor ductility. Let us look at the evolution of microstructure 

in hypo & hyper eutectic white cast iron. This has been explained with the help of a set of sketches given 

in Fig 8 – 9.   

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig 8 T°C 

Wt% C 

0.8 2.0 0.02 0 

1539 

1495 

1394 

727 

910 

L

+ L 

+ L 

 + Cm 

 + Cm 

L

 + Cm 

Cm

time 

T + L 

4.3  6.67 

L +Cm 

3.0 

Ledeburite

Pearlite 

Transformed 

Ledeburite

 

 

 

 

Fig. 7: Shows  the structure of the eutectic Fe‐Fe3C 

at room temperature. Note that volume fraction of 

austenite  has  decreased  and  it  has  transformed 

into pearlite. It is called transformed ledeburite. 

 

 

 

 

Fig. 6:  Shows a schematic representation of the 

eutectic consisting of cementite as white matrix 

and austenite as grey particles at 1145°C. It is 

called ledeburite. 

Cm 

Cm 

Pearlite 

Page 14: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

14 

Figure 8 describes the evolution of the microstructure  in a hypoeutectic cast  iron. The vertical dotted 

line marked x is the location of the alloy with respect to the Fe‐Fe3C phase diagram. The sketch on the 

right gives  its cooling curve. Solidification begins with nucleation and growth of austenite grains. As  it 

cools the amount of austenite increases at the cost the liquid. The composition of the austenite and the 

liquid keep changing. At the eutectic temperature the composition of  liquid  is 4.3 whereas that of the 

austenite is 2.0. If %C in the cast iron is 3.0, % austenite at this temperature =100 x (4.3‐3.0)/(4.3‐2.0) = 

57%. The balance 43% is liquid. On cooling this it solidifies as a mixture of austenite and cementite. The 

eutectic  is known as  ledeburite. The austenite that forms before eutectic transformation  is called pro‐

eutectic  austenite  or  primary  austenite.  On  subsequent  cooling,  the  volume  fraction  of  cementite 

increases at the cost of austenite. At the eutectoid temperature the primary austenite and the austenite 

in  the eutectic  transform  into pearlite. The  final  structure would  consist of  relatively  large nodule of 

pearlite (originating from primay austenite) and a fine dispersion of tiny nodules of pearlite (originating 

from the austenite in the eutectic) in a matrix of cementite.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 9 describes the evolution of the microstructure  in a hyper‐eutectic white cast  iron. The vertical 

dotted line marked x is the location of the alloy with respect to the Fe‐Fe3C phase diagram. The sketch 

on  the  right gives  its  cooling  curve. Solidification begins with nucleation and growth of primary  (pro‐

eutectic) grains of cementite. As it cools the amount of cementite increases at the cost the liquid. Note 

that cementite has a fixed composition. However the composition of the  liquid keeps changing. At the 

eutectic  temperature  the  composition  of  liquid  is  4.3.  If %C  in  the  cast  iron  is  5.0, %liquid  at  this 

temperature =100 x (6.67‐5.0)/(6.67‐4.3) = 70%. On further cooling it solidifies as a mixture of austenite 

and  cementite.  The  eutectic  is  known  as  ledeburite.  The  cementite  that  forms  before  eutectic 

transformation  is  called  pro‐eutectic  cementite  or  primary  cementite.  On  subsequent  cooling,  the 

volume fraction of cementite increases at the cost of austenite within the eutectic. The cementite that 

forms during this stage is called secondary cementite. At the eutectoid temperature the austenite in the 

eutectic transforms into pearlite. The final structure consists of relatively large primary cementite and a 

fine dispersion of tiny nodules of pearlite (originating from the austenite  in the eutectic)  in a matrix of 

Fig 9 T°C 

Wt% C 

0.8 2.0 0.02 0 

1539 

1495 

1394 

727 

910 

+ L 

+ L 

 + Cm 

 + Cm 

L

 + Cm 

Cm

time 

T

4.3  6.67 

L +Cm 

5.0 

Ledeburite

Transformed 

Ledeburite

+ L 

L Cm

Cm 

Cm 

Page 15: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

15 

cementite.  The  eutectic  in  cast  iron  at  room  temperature  is  known  as  transformed  ledeburite.    The 

cementite present in iron carbon system has several distinct morphologies. In hyper‐eutectic white cast 

iron  has  all  of  theses.  Cementite  precipitating  from  the  liquid  is  called  primary  cementite,  that 

precipitating  from austenite  is called secondary cementite, and  those precipitating  from  ferrite below 

eutectoid temperature  is called  tertiary cementite. Apart  from these cementite  is also present as  thin 

plates within nodules of pearlite. 

 Summary: 

In this lecture we have learned Fe‐Fe3C meta‐stable phase diagram. It gives a graphical representation of 

the stability of different phases one may come across in such a system over a range of temperature (0°‐

1550°C)  and  compositions  (0‐6.67%C).  It  has  3  invariant  reactions.  These  are peritectic,  eutectic  and 

eutectoid. Barring pure iron, cementite and the eutectic all alloys belonging to this system do not have a 

definite  melting  point. We  have  learnt  how  to  draw  or  guess  the  cooling  curve  of  an  alloy  if  its 

composition were known.  It helps  in predicting the type of structure that evolves during solidification. 

Iron carbon alloys having  less  than 2% carbon are known as steel whereas  those having carbon more 

than 2% but  less  than 6.67% are known as  cast  iron. At  room  temperature all  iron  carbon alloys are 

made of ferrite and cementite. However the distribution and the amount of these may vary widely. On 

the basis of the distribution of the two phases we can have 3 types of steel and two types of cast iron. 

These are  (i) terminal solid solution having only  ferrite or at best extremely small amounts of  tertiary 

carbides  (ii) hypo‐eutectoid steel  (iii) hyper‐eutectoid steel  (iv) hypo  ‐ eutectic white cast  iron and  (v) 

hyper‐  eutectic  white  cast  iron.  How  the  structure  evolves  in  these  during  solidification  has  been 

explained  with  illustrations.  The  iron  cementite  phase  diagram  at  the  end  of  this  lecture  gives  an 

overview of the structural features of each of the 5 types of alloys belonging to this system. However 

while talking about the evolution of structure we do assume that cooling rate  is slow. This  indeed  is a 

major  limitation  of  phase  diagram. We  have  already  seen  the  effect  of  non‐equilibrium  cooling  on 

segregation  during  liquid  to  solid  transformation.  In  Fe‐Fe3C  system  we  do  have  a  eutectoid 

transformation where the effect of cooling rate is likely to be much more severe. We shall talk about it 

in a subsequent lecture.  

Exercise: 

1. FCC is a more close packed structure yet solubility of carbon in austenite which is FCC is higher 

than that in ferrite which is BCC. Why it is so? 

2. Sketch  the microstructure  of  0.2%  C  steel.  Calculate %Pearlite %  cementite, %  proeutectoid 

ferrite and % total ferrite. 

3. Estimate the ratio of the widths of ferrite and cementite plates in lamellar pearlite.  

4. Sketch the temperarture – time diagram during the heating cycle of a 0.8% C steel. Use standard 

Fe‐Fe3C phase diagram. 

5. Estimate %Cm in Ledeburite just below eutectic and just above eutectoid temeratures. What is 

its structure at room temperature? 

Answer: 

Page 16: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

16 

1. There are 2 types of interstitial sites octahedral & tetrahedral. In FCC the former is significantly 

larger than the latter. Whereas in BCC these are nearly same. The total open space is shared by 

more number of sites. Therfore  interstitial gap  in BCC  is much smaller than that of FCC. This  is 

why carbon which occupies interstitial site has higher solubility in austenite (FCC). 

 

2. The stucture would consist of proeutectoid ferrite and pearlite. Assume solubility of carbon  in 

ferrite  is  negligible. Refer  to  phase  diagram  to  get %  Pearlite  in  0.2%  carbon  steel  = .

.

100 25  Balance  75%  is  proeutectoid  ferrite. %  Cementite  = .

.100 3%  and  total 

ferrite = 97%. 

 

3. Assume density of ferrite and cementite to be same (Note that in reality density of cementite is 

a  little higher  than that of  ferrite). %  ferrite  in pearlite =   . .

.100 88. Balance 12%  is 

cementite. Therefore the ratio of the widths of the two = 12/88. This is approximately equal to 

1:7.  

 

4. 0.8 % carbon corresponds to an eutectoid steel. It would first transform into austenite and then 

it starts melting when the temperature reaches its solidus temperature. It becomes totally liquid 

when temperature goes beyond its liquidus. Shematic heating curve is as follows: 

 

 

 

 

 

 

5. Assume % C in eutectic = 4.3. % Cm just below eutectic temperature = . .

. .100 49%and 

just  above  eutectoid  =. .

. .100 60%Between  eutectic  to  eutectoid  temperatures 

proeutectoid  cementite  precipitates  from  austenite  in  eutectic.  On  subsequent  cooling  the 

austenite transforms into pearlite. At room temperatutre what we have is transformed eutectic. 

Time 

liquid L+ 

+cm: Pearlite 

Page 17: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

17 

Iron – Cementite Meta‐stable Binary Phase diagram 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The above sketch is a little enlarged version of the phase diagram. Fe & Fe3C (also known as cementite) 

are  the  two components. Nomenclature: P denotes Pearlite  the product of eutectoid  reaction  in  iron 

carbon system. It is a mixture of ferrite and cementite. Ferrite = ,  = austenite,  = high temperature 

ferrite, LD = Ledebutite:  the product of  the eutectic  reaction. Note  that austenite can  form either by 

peritectic reaction between  & L and also by direct precipitation  from  liquid when % C > 0.55. TLD = 

transformed  Ledeburite.  Ledeburite  is  a  eutectic  mixture  of  austenite  and  cementite.  At  room 

temperature austenite is not stable. It transforms into Pearlite. TLD therefore consists of tiny nodules of 

pearlite  in cementite matrix.    It also describes the main structural features of five types of  iron carbon 

alloys. Low carbon steel consists of ferrite and tertiary cementite. Hypo‐eutectoid steel has ferrite, pro‐

eutectoid cememtite and pearlite. Hyper‐eutectoid steel has pro‐eutectoid cementite  (secondary) and 

pearlite.  Hypo‐eutectic  cast  iron  has  pearlite,  transformed  ledeburite  and  pro‐eutectoid  (secondary) 

cementite. Hyper‐eutectic cast iron has primary cementite and transformed ledeburite. So far evolution 

of microstructure that takes place during solidification of  iron – carbon alloys has been explained with 

the help of schematic microstructure. The following page gives a few typical microstructures of steel and 

cast iron. These were prepared by some of my students and colleagues at I I T Kharagpur and CSIR‐NML 

Jamshedpur. 

 

T°C 

Wt% C 

0.8  2.00.02 0 

1539 

1495 

1394 

727 

910 

L

+ L 

+ L 

 + Cm + P 

Cm+ LD 

1550 

4.3  6.67 

L +Cm 

 +Cm 

Cm + TLD 

+ Cm + LD 

P + TLD +Cm Cm + P 

1146 

727 

Cm Fe 

Hyper‐eutectic 

white cast iron  Hypo‐eutectic 

white cast iron 

Hyper‐eutectoid 

steel 

Hypo‐eutectoid 

steel  

+ Cm  

0.18 

0.55 

0.08 

L =  + Cm 

 =  + Cm 

 + L = 

Page 18: Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron ... … - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture23.pdf · Module 23 Iron Carbon System I Lecture 23 Iron Carbon System I . NPTEL

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

18 

Typical microstructures of steel and cast iron 

Fig  A1:  Microstructure  of  0.15%  carbon  steel consisting  of  ferrite  (bright)  and  pearlite  (dark). Lamellar  feature pearlite  is not visible.  (Curtsey G Das CSIR‐NML Jamshedpur) 

Fig  A2:  Microstructure  of  medium  carbon  steel consisting  of  ferrite  (bright)  and  pearlite  (dark). Amount  of  pearlite  increases  with  %  carbon. (Curtsey G Das CSIR‐NML Jamshedpur). 

Fig  A3: Microstructure  of  a  near  eutectoid  steel having a  little pro‐eutectoid cementite  in a matrix of  pearlite.  In  some  of  regions  finer  details  of pearlitic (lamellar) structure is visible. 

Fig A4: SEM  image of 0.84% C steel having nearly 100%  pearlite.  Lamellar  feature  is  clearly  visible. The  dark  region  is  pro‐eutectoid  cementite. (Curtsey G Das CSIR‐NML Jamshedpur) 

Fig A5: Microstructure of hyper‐eutectic white cast iron showing primary carbides (cm). The rest of the region  consists  of  a  mixture  of  pearlite  and cementite or transformed eutectic (ledeburite). 

Fig  A6:  Microstructure  of  grey  cast  iron  having graphite  flakes  in  a  matrix  consisting  of  mostly ferrite  and  some  amount  of  pearlite.  (Curtsey  G Das CSIR‐NML Jamshedpur)