background image

Chapter 9 -  1 

ISSUES TO ADDRESS... 

•  When we combine two elements... 
              what is the resulting equilibrium state? 

•  In particular, if we specify... 
     -- the composition (e.g., wt% Cu - wt% Ni), and 
     -- the temperature (T

 

then... 
    How many phases form? 
    What is the composition of each phase? 
    What is the amount of each phase? 

Chapter 9:  Phase Diagrams 

Phase B 

Phase A

 

Nickel atom

 

Copper atom

 


background image

Chapter 9 -  2 

Phase Equilibria: Solubility Limit 

Question:

  What is the 

    solubility limit for sugar in  
    water at 

20ºC

Answer: 

65 wt% sugar

    

At 20ºC, if C < 65 wt% sugar:

 syrup 

    

At 20ºC,

 

if C > 65 wt% sugar:

  

 

 

             syrup + sugar 

65

 

•  

Solubility Limit

   

Maximum concentration for 

   which only a single phase  
   solution exists.

  

  Sugar/Water Phase Diagram 

 

 

Sugar

 

Tem

pera

ture 

(ºC)

 

0

 

20

 

40

 

60

 

80

 

100

 

 C

 

= Composition (wt% sugar)

 

L

 

 

 

(liquid solution 

 

i.e., syrup)

 

Solubility 

 

Limit

 

L 

 

(liquid) 

 

 

S 

 

(solid 

 

sugar)

 

20

 

4

 

0

 

6

 

0

 

8

 

0

 

10

 

0

 

 

 

W

ater

 

Adapted from Fig. 9.1,  
Callister & Rethwisch 8e. 

•  

Solution

 

– solid, liquid, or gas solutions, single phase 

•  

Mixture

 

– more than one phase 


background image

Chapter 9 -  3 

•  

Components

      The elements or compounds which are present in the alloy 
        

(e.g., Al and Cu) 

•  

Phases

      The physically and chemically distinct material regions 
       that form 

(e.g., 

a

 and 

b

). 

Aluminum- 
Copper 
Alloy 

Components and Phases 

 (darker  

phase) 

b

 

 (lighter 

 

phase)

 

Adapted from chapter-
opening photograph, 
Chapter 9, Callister, 
Materials Science & 
Engineering: An 
Introduction, 3e. 
 


background image

Chapter 9 -  4 

70  80 

100 

60 

40 

20 

Tempe

ratu

re 

(ºC)

 

 C = Composition (wt% sugar) 

 

 

( 

liquid solution  

i.e., syrup) 

20 

100 

40 

60 

80 

L  

(liquid)  

+  

S  

(solid  

sugar) 

Effect of Temperature & Composition 

•  Altering T can change # of phases:   path 

A

 to 

B

•  Altering C can change # of phases:  path 

B

 to 

D

water- 
sugar 
system 

Adapted from Fig. 9.1,  
Callister & Rethwisch 8e. 

  D

 

(100ºC,C = 90) 

2 phases  

B

 

(100ºC,C = 70) 

1 phase  

   A

 

(20ºC,C = 70) 

2 phases 


background image

Chapter 9 -  5 

Criteria for Solid Solubility  

Crystal 

Structure 

electroneg 

r (nm) 

Ni 

FCC 

1.9 

0.1246 

Cu 

FCC 

1.8 

0.1278 

•  Both have the same crystal structure (FCC) and have  
      similar electronegativities and atomic radii (

W. Hume 

–  

      Rothery rules

) suggesting high mutual solubility.  

Simple system

  (e.g., Ni-Cu solution) 

•  Ni and Cu are totally soluble in one another for all proportions. 


background image

Chapter 9 -  6 

Phase Diagrams 

•  Indicate phases as a function of TC, and P.  
•  For this course: 

    - binary systems:  just 2 components. 
    - independent variables:  T and  C 

 (P = 1 atm is almost always used). 

Phase 
Diagram

 

for Cu-Ni 
system 

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 9.3(a) is adapted from 
Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys
P. Nash (Ed.), ASM International, 
Materials Park, OH (1991). 

• 2 phases: 

 

 

L 

 

(liquid)

 

a

 

 

 

(FCC solid solution)

 

• 3 different phase fields:  

L

 

L +

 

a

 

a

 

wt% Ni

 

20

 

40

 

60

 

80

  100 

0

 

1000

 

1100

 

1200

 

1300

 

1400

 

1500

 

1600

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

  

 

(FCC solid 

 

solution)

 


background image

Chapter 9 -  7 

Cu-Ni 

phase 

diagram 

Isomorphous Binary Phase Diagram 

• Phase diagram: 

   Cu-Ni system. 

• System is: 

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 9.3(a) is adapted from 
Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys
P. Nash (Ed.), ASM International, 
Materials Park, OH (1991). 

-- 

binary 

    i.e., 2 components: 
    Cu and Ni. 

-- 

isomorphous 

    i.e., complete 
    solubility of one 
    component in 
    another; 

a

 phase 

    field extends from 
    0 to 100 wt% Ni. 

wt% Ni

 

20

 

40

 

60

 

80

  100 

0

 

1000

 

1100

 

1200

 

1300

 

1400

 

1500

 

1600

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

  

 

(FCC solid 

 

solution)

 


background image

Chapter 9 - 

wt% Ni

 

20

 

40

 

60

 

80

  100 

0

 

1000

 

1100

 

1200

 

1300

 

1400

 

1500

 

1600

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

  

 

(FCC solid 
solution)

 

 

Cu-Ni 

phase 

diagram 

Phase Diagrams

Determination of phase(s) present 

•  Rule 1:

  If we know T and C

o

, then we know: 

      -- which phase(s) is (are) present. 

•  Examples: 

A

(1100ºC, 60 wt% Ni): 

 

   1 phase:   

a

 

B

 

(1250ºC, 35 wt% Ni): 

 

   2 phases: L + 

a

 

 

B

 

 (12

50

ºC,35

)

 

 A

(1100ºC,60)

 

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 9.3(a) is adapted from 
Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys
P. Nash (Ed.), ASM International, 
Materials Park, OH (1991). 


background image

Chapter 9 -  9 

wt% Ni

 

20

 

1200

 

1300

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

(solid)

 

30

 

40

 

50

 

Cu-Ni 

system 

Phase Diagrams

Determination 

of phase compositions 

•  Rule 2:

  If we know T and C

0

, then we can determine: 

      -- the composition of each phase. 

•  Examples: 

T

A

 

A

 

35

 

C

0

 

32

 

C

L

 

At T

A

 

 

= 1320ºC:  

  Only Liquid (L) present 

 

  C

L

 = C

0

 

 

 

( = 35 wt% Ni)

 

At T

B

 

 

= 1250ºC:   

   Both 

 

 and L  present

 

   

 C

 = C

 

 

liquidus

   

( = 32 wt% Ni) 

 

   

 C

 = C

 

 

solidus

    

( = 43 wt% Ni)

 

At T

D

 

 

= 1190ºC:  

  Only Solid (

a

) present

 

  C

a

 = C

0

 

 

 

( = 35 wt% Ni)

 

Consider C

0

 = 35 wt% Ni 

D

 

T

tie line

 

4

 

C

a

 

3

 

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 9.3(a) is adapted from 
Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. 
Nash (Ed.), ASM International, Materials 
Park, OH (1991). 

B

 

T


background image

Chapter 9 -  10 

•  Rule 3:

  If we know T and C

0

, then can determine: 

      -- the weight fraction of each phase. 

•  Examples: 

At T

:  Only Liquid (L) present 

 

 

 

 

  

 

W

L

   = 1.00, W

a

 = 0 

  

 

 

 

 

At T

:

     Only Solid 

 

(

 

a  

) present 

 

 

 

 

  

 

W

 = 0, W

 

 = 1.00

 

Phase Diagrams

Determination of phase 

weight fractions 

wt% Ni

 

20

 

1200

 

1300

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

(solid)

 

3

 0 

4

 0 

5

 0 

Cu-Ni 

system 

T

A

 

35

 

C

0

 

32

 

C

L

 

B

 

T

D

 

T

tie line

 

4

 

C

a

 

3

 

R

 

S

 

At T

:

     Both  

 and present

 

73

.

0

32

43

35

43

= 0.27 

W

L

 

 

S

 

R

 

S

 

W

a

 

 

R

 

R

 

S

 

Consider C

0

 = 35 wt% Ni 

Adapted from Fig. 9.3(a), Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 9.3(a) is adapted from 
Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, P. 
Nash (Ed.), ASM International, Materials 
Park, OH (1991). 


background image

Chapter 9 -  11 

• Tie line – connects the phases in equilibrium with 

each other 

– also sometimes called an 

isotherm 

The Lever Rule 

What fraction of each phase? 
      Think of the tie line as a lever  

      (teeter-totter) 

 

 

 

 

M

L

 

M

a

 

L

L

L

L

L

L

C

C

C

C

S

R

R

W

C

C

C

C

S

R

S

M

M

M

W

a

a

a

a

a

0

0

 

          

wt% Ni

 

20

 

1200

 

1300

 

T

(ºC) 

L (liquid)

 

a

 

(solid)

 

3

 0 

4

 0 

5

 0 

B

 

T

 

tie line

 

C

0

 

C

L

 

C

a

 

S

 

R

 

Adapted from Fig. 9.3(b), 
Callister & Rethwisch 8e.  


background image

Chapter 9 -  12 

wt% Ni 

20 

120 0 

130 0 

3 0 

4 0 

5 0 

110 0 

L (liquid)

 

a

 

  

 

(solid)

 

T

(ºC) 

35

 

C

0

 

L: 35wt%Ni

 

Cu-Ni 

system 

• Phase diagram: 

   Cu-Ni system. 

Adapted from Fig. 9.4, 
Callister & Rethwisch 8e.  

• Consider  
    microstuctural  
    changes that  
    accompany the  
    cooling of a 
    

C

0

 = 35 wt% Ni alloy 

Ex:  Cooling of a Cu-Ni Alloy 

46

 

35

 

43

 

32

 

a

: 43 wt% Ni 

 

L: 32 wt% Ni

 

a

: 46 wt% Ni

 

L: 35 wt% Ni

 

L: 24 wt% Ni

 

a

: 36 wt% Ni 

 

24

 

36

 


background image

Chapter 9 - 

• Slow rate of cooling: 

   Equilibrium structure 

• Fast rate of cooling: 

   Cored structure 

 First 

a

 to solidify:

 

46 wt% Ni

 

 

Last 

a

 to solidify:

 

< 35 wt% Ni

 

13 

•  C

a

 changes as we solidify. 

•  Cu-Ni case: 

First 

a

 to solidify has C

a

 = 46 wt% Ni. 

Last 

a

 to solidify has C

a

 = 35 wt% Ni. 

Cored vs Equilibrium Structures 

  

 

 Uniform C

a

:

 

 35 wt% Ni

 


background image

Chapter 9 -  14 

Mechanical Properties:

 

Cu-Ni System 

•  Effect of solid solution strengthening on: 

-- Tensile strength (TS

-- Ductility (%EL

Adapted from Fig. 9.6(a), 
Callister & Rethwisch 8e.  

T

ens

ile 

St

re

ngth 

(MPa)

 

Composition, wt% Ni 

Cu 

Ni 

0  20  40  60  80  100 

200 

300 

400 

TS for 

 

pure Ni

 

TS for pure Cu

 

Elongation 

(%

EL

)

 

Composition, wt% Ni 

Cu 

Ni 

0  20  40  60  80  100 

20 

30 

40 

50 

60 

%EL

 

 for 

 

pure Ni

 

%EL

 

 for pure Cu

 

Adapted from Fig. 9.6(b), 
Callister & Rethwisch 8e.  


background image

Chapter 9 -  15 

2 components 

has a special composition 
with a min. melting T

Adapted from Fig. 9.7, 
Callister & Rethwisch 8e.   

Binary-Eutectic Systems 

•  3 single phase regions  
      (L

a

b

)

  

  

  

•  Limited solubility:  

a

:  mostly Cu  

b

:  mostly Ag   

 

•  T

:  No liquid below T

:  Composition at  
      temperature T

E

  

•  C

  

Ex.:  Cu-Ag system   

 

Cu-Ag 

system 

  

  

  

  

L (liquid)

 

a

 

L

  +  

a

 

L

 

b

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

  C ,  wt% Ag 

20 

40 

60 

80 

100 

200 

1200 

T

(ºC)   

400 

600 

800  

 

1000 

C

E

 

T

E

 

8.0 

71.9  91.2 

779ºC

 

 

 

 

 Ag)

 wt%

1.2

9

(

 

 

 Ag)

 wt%

.0

8

(

   

          

 Ag)

 wt%

9

.

71

(

b

a

L

cooling 

heating 

•  

Eutectic reaction 

 

L(C

E

)            

 

a

(C

a

E

) + 

b

(C

b

E

 


background image

Chapter 9 -  16 

L

 

a

 

L

 

b

 

a

 + 

b

 

200  

 

T

(ºC) 

18.3 

C, wt% Sn 

20 

60 

80 

100 

300  

 

100  

 

L (liquid)

 

a

 

183ºC 

 

 

61.9 

97.8 

b

 

•  For a 40 wt% Sn-60 wt% Pb alloy at 150ºC, determine: 

    -- the phases present 

Pb-Sn 

system 

EX 1:  Pb-Sn Eutectic System 

   Answer:

 a

 + 

-- the phase compositions 

-- the relative amount 
    of each phase 

150

 

40

 

C

0 

 

11

 

C

a

 

 

99 

C

b

 

 

S

 

R

 

Answer:

 C

a

 = 11 wt% Sn

 

C

b

 = 99 wt% Sn 

W

 

a

 

=

 

C

b

 C

0

 

C

b

 C

a

 

=

 

99 - 40

 

99 - 11

 

=

 

59

 

88

 

= 0.67 

S

 

R+S

 

=

 

W 

b

 

C

0

 

 

- C

a

 

C

b

  - C

a

 

R+S

 

29 
88

 

= 0.33 

40 - 11 
99 - 11

 

Answer: 

Adapted from Fig. 9.8, 
Callister & Rethwisch 8e.   


background image

Chapter 9 -  17 

Answer:

 C

a

 = 17 wt% Sn

 

-- the phase compositions 

L

 

b

 

a

 + 

b

 

200  

 

T

(ºC) 

C, wt% Sn 

20 

60 

80 

100 

300  

 

100  

 

L (liquid)

 

a

 

 

 

b

 

L

 + 

 

a

 

183ºC

 

•  For a 40 wt% Sn-60 wt% Pb alloy at 220ºC, determine: 

    -- the phases present: 

Pb-Sn 

system 

EX 2:  Pb-Sn Eutectic System 

-- the relative amount 
    of each phase 

W

 

a

 

=

 

C

L

 - C

0

 

C

L

 - C

a

 

=

 

46 - 40

 

46 - 17

 

=

 

 6

 

29

 

= 0.21 

W

L

 

C

0

 - C

a

 

C

L

 - C

a

 

23 

29

 

= 0.79 

40

 

C

0 

 

46 

C

 

17

 

C

a

 

 

220 

R

 

   Answer:

 a

 + 

L

 

C

L

 = 46 wt% Sn 

Answer: 

Adapted from Fig. 9.8, 
Callister & Rethwisch 8e.   


background image

Chapter 9 -  18 

•  For alloys for which  
         

C

0

 < 2 wt% Sn 

•  Result: at room temperature 

    -- polycrystalline with grains of  
         

a

 phase having  

         composition 

C

Microstructural Developments  

in Eutectic Systems I 

0 

L

 + 

a

 

200 

T

(ºC) 

 C  wt% Sn 

10 

2

 

20 

C

0

 

300 

100 

L

 

a

 

 

 

30 

a

 + 

b

 

400 

(room T solubility limit)

 

T

E

 

(Pb-Sn 
System) 

a

 

L

 

L:  C

0

 wt% Sn

 

a

:  C

0

 wt% Sn 

Adapted from Fig. 9.11, 
Callister & Rethwisch 8e.  


background image

Chapter 9 -  19 

•  For alloys for which  
    2 wt% Sn < C

0

 < 18.3 wt% Sn 

•  Result:   
    at temperatures in 

a

 + 

b

 range 

    -- polycrystalline with 

a

 

grains 

      and small 

b

-phase

 particles 

Adapted from Fig. 9.12, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Microstructural Developments  

in Eutectic Systems II 

Pb-Sn 

system 

L

 

 +  

a

 

200 

T

(ºC) 

  C  wt% Sn 

10 

18.3

 

20 

0 

C

0

 

300 

100 

L

 

a

 

30   

a

 + 

b

 

400 

(sol. limit at T

E

)

 

T

E

 

2

 

(sol. limit at T

 

room

 

)

 

L

 

a

 

L:  C

0

 wt% Sn 

a

 

b

 

a

: C

0

 wt% Sn 


background image

Chapter 9 -  20 

•  For alloy of composition C

0

 = C

E

  

•  Result:

  Eutectic microstructure (lamellar structure) 

    -- alternating layers (lamellae) of 

a

 and 

b

 phases. 

Adapted from Fig. 9.13, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Microstructural Developments  

in Eutectic Systems III 

Adapted from Fig. 9.14,  
Callister & Rethwisch 8e.  

160

 

m

 

Micrograph of Pb-Sn 

 

eutectic 

 

microstructure

 

Pb-Sn 

system 

L

 

 

b

 

 

b

 

200  

 

T

(ºC) 

C, wt% Sn 

20 

60 

80 

100 

300  

 

100  

 

L

 

a

 

 

 

b

 

L

 + 

 

a

 

183ºC

 

40 

T

E

 

18.3

 

a

: 18.3 wt%Sn

 

97.8

 

b

: 97.8 wt% Sn

 

C

E

 

61.9

 

L:  C

0

 wt% Sn 


background image

Chapter 9 -  21 

Lamellar Eutectic Structure 

Adapted from Figs. 9.14 & 9.15, Callister 
& Rethwisch 8e.
  


background image

Chapter 9 -  22 

•  For alloys for which 18.3 wt% Sn < C

0

 < 61.9 wt% Sn 

•  Result:

  

a

 phase particles and a eutectic microconstituent 

Microstructural Developments  

in Eutectic Systems IV 

18.3

 

61.9 

S

 

R

 

97.8

 

S

 

R

 

primary 

 

a

 

eutectic 

 

a

 

eutectic 

 

b

 

W

L

 = (1- W 

a

 )  = 0.50 

C

a

 

 

 = 18.3 wt% Sn 

 

 

C

L

  = 61.9 wt% Sn 

S

 

R

 

 

  

S

 

W

a

 

 =

 

= 0.50 

• Just above T

: 

• Just below T

E

 : 

C

 

 = 18.3 wt% Sn 

C

 

 

 = 97.8 wt% Sn 

S

 

R

 

 

  

S

 

W

 

 =

 

= 0.73 

W

 

b

 

 

 = 0.27 

Adapted from Fig. 9.16, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Pb-Sn 

system 

L

 

b

 

200  

 

T

(ºC) 

C, wt% Sn 

20 

60 

80 

100 

300  

 

100  

 

L

 

a

 

b

 

L

 +

 

40 

+

 

b

 

T

E

 

L:  C

0

 

wt% Sn

 

L

 

L

 

 

a

 


background image

Chapter 9 -  23 

L

 +

 

a

 

L

 

b

 

a

 + 

b

 

200 

  

C, wt% Sn 

20 

60 

80 

100 

300 

  

100 

  

L

 

a

 

 

 

b

 

T

E

 

40 

(Pb-Sn  
System) 

Hypo

eutectic & 

Hyper

eutectic

 

Adapted from Fig. 9.8,  
Callister & Rethwisch 8e. 
(Fig. 10.8 adapted from 
Binary Phase Diagrams
2nd ed., Vol. 3, T.B. 
Massalski (Editor-in-Chief), 
ASM International, 
Materials Park, OH, 1990.) 

160 

eutectic micro-constituent

 

Adapted from Fig. 9.14, 
Callister & Rethwisch 8e.  

hypereutectic: (illustration only)

 

b

 

b

 

b

 

b

 

b

 

b

 

Adapted from  Fig. 9.17, 
Callister & Rethwisch 8e. 
(Illustration only) 

(Figs. 9.14 and 9.17 
from Metals 
Handbook
, 9th ed., 
Vol. 9, 
Metallography and 
Microstructures

American Society for 
Metals, Materials 
Park, OH, 1985.) 

175 

m  

a

 

a

 

a

 

a

 

a

 

a

 

hypoeutectic:  C

0

 = 50 wt% Sn

 

Adapted from  
Fig. 9.17, Callister & 
Rethwisch 8e.
  

T

(ºC) 

61.9

 

eutectic

 

eutectic:  C

0

 

=

 

61.9

 

wt% Sn

 


background image

Chapter 9 -  24 

Intermetallic Compounds 

Mg

2

Pb 

Note: intermetallic compound exists as a line on the diagram - not an 
area - because of stoichiometry (i.e. composition of a compound  
is a fixed value). 

Adapted from  
Fig. 9.20, Callister & 
Rethwisch 8e.
  


background image

Chapter 9 -  25 

• Eutectoid

 

– one solid phase transforms to two other 

solid phases 

S

2

          S

1

+S

 

 

 

 

 

            

a

 + Fe

3

C  (For Fe-

C, 727ºC, 0.76 wt% C)  

intermetallic compound 

- cementite 

cool 

heat 

Eutectic, Eutectoid, & Peritectic 

• Eutectic

 - liquid transforms to two solid phases 

L           

a

 + 

b

 

   (For Pb-

Sn, 183ºC, 61.9 wt% Sn)

  

 

cool 

heat 

cool 

heat 

• Peritectic

 - liquid and one solid phase transform to a 

second solid phase

  

S

L          S

2

 

 

  + L           

         (For Fe-

C, 1493ºC, 0.16 wt% C)

 

   


background image

Chapter 9 -  26 

Eutectoid & Peritectic 

Cu-Zn Phase diagram 

Adapted from Fig. 9.21, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Eutectoid transformation    

         

 + 

 

Peritectic transformation  

 + L        

 


background image

Chapter 9 -  27 

Iron-Carbon (Fe-C) Phase Diagram 

• 2 important  
      points 

- Eutectoid (B):

 

   

 

 

a

 + Fe

3

C 

- Eutectic (A):

 

   

 

 + Fe

3

C 

Adapted from Fig. 9.24, 
Callister & Rethwisch 8e.  
   

Fe

3

C

 (c

emen

tit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

 

+Fe

3

C 

a

 +Fe

3

C 

 

(Fe) 

C, wt% C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

a

 

727ºC = T

 

eutectoid

 

4.30

 

Result:  Pearlite = 

 

alternating layers of 

 

a

 

 and Fe

3

C phases

 

120 

m 

(Adapted from Fig. 9.27,  
Callister & Rethwisch 8e.

0.76

 

B

 

 

 

 

 

A

 

L+Fe

3

Fe

3

C (cementite-hard)

 

a

 

(ferrite-soft)

 


background image

Chapter 9 -  28 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

 

 +

 

Fe

3

C 

a

 

 

+

 

Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

(Fe) 

C, wt% C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

a

 

727ºC

 

(Fe-C  
System) 

C

0

 

0.

76

 

Hypo

eutectoid Steel 

Adapted from Figs. 9.24 
and 9.29,Callister & 
Rethwisch 8e.
  
(Fig. 9.24 adapted from 
Binary Alloy Phase 
Diagrams
, 2nd ed., Vol. 
1, T.B. Massalski (Ed.-in-
Chief), ASM International, 
Materials Park, OH, 
1990.) 

Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e.  

proeutectoid ferrite 

pearlite 

100 

m 

Hypoeutectoid

 

steel

 

a

 

pearlite

 

 

 

 

 

a

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Chapter 9 -  29 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

 

 +

 

Fe

3

C 

a

 

 

+

 

Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

(Fe) 

C, wt% C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

a

 

727ºC

 

(Fe-C  
System) 

C

0

 

0.

76

 

Hypo

eutectoid Steel 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

a

 

s

 

r

 

W

a

 

s

/(

r 

+

 

s

)

 

W

 

=(1 - 

W

a

) 

R

 

S

 

a

 

pearlite

 

W

pearlite

 

=

 

W

 

W

a

 

S

/(

R 

+

 

S

)

 

W

        

 

=(1 

– 

W

a

) 

Fe

3

Adapted from Figs. 9.24 
and 9.29,Callister & 
Rethwisch 8e.
  
(Fig. 9.24 adapted from 
Binary Alloy Phase 
Diagrams
, 2nd ed., Vol. 
1, T.B. Massalski (Ed.-in-
Chief), ASM International, 
Materials Park, OH, 
1990.) 

Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e.  

proeutectoid ferrite 

pearlite 

100 

m 

Hypoeutectoid

 

steel

 


background image

Chapter 9 -  30 

Hyper

eutectoid Steel 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

 

 +Fe

3

C 

a

  +Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

(Fe) 

C, wt%C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

a

 

Adapted from Figs. 9.24 
and 9.32,Callister & 
Rethwisch 8e.
  (Fig. 9.24 
adapted from Binary Alloy 
Phase Diagrams
, 2nd 
ed., Vol. 1, T.B. Massalski 
(Ed.-in-Chief), ASM 
International, Materials 
Park, OH, 1990.) 

(Fe-C  
System) 

0

.7

6

 

C

0

 

Fe

3

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e.   

proeutectoid Fe

3

60

 

m

 

Hypereutectoid 

 

steel

 

pearlite 

pearlite

 


background image

Chapter 9 -  31 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

 

 +Fe

3

C 

a

  +Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

(Fe) 

C, wt%C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

a

 

Hyper

eutectoid Steel 

(Fe-C  
System) 

0

.7

6

 

C

0

 

pearlite

 

Fe

3

C

 

 

 

 

 

x

 

v

 

V

 

W

pearlite

 

=

 

W

 

W

a

 

X

/(

V 

+

 

X

)

 

W

          

 

=(1 - 

W

a

) 

Fe

3

C’ 

W

      

   

=(1-

W

W

   

=

x

/(

v

 + 

x

) 

Fe

3

Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e.   

proeutectoid Fe

3

60

 

m

 

Hypereutectoid 

 

steel

 

pearlite 

Adapted from Figs. 9.24 
and 9.32,Callister & 
Rethwisch 8e.
  (Fig. 9.24 
adapted from Binary Alloy 
Phase Diagrams
, 2nd 
ed., Vol. 1, T.B. Massalski 
(Ed.-in-Chief), ASM 
International, Materials 
Park, OH, 1990.) 


background image

Chapter 9 -  32 

Example Problem 

For a 99.6 wt% Fe-0.40 wt% C steel at a 

temperature just below the eutectoid, 
determine the following: 

a) The compositions of Fe

3

C and ferrite (

a

). 

b) The amount of cementite (in grams) that 

forms in 100 g of steel. 

c) The amounts of pearlite and proeutectoid 

ferrite (

a

) in the 100 g. 


background image

Chapter 9 -  33 

Solution to Example Problem 

b) Using the lever rule with  

the tie line shown 

a)  Using the RS tie line just below the eutectoid 

 
C

a

 = 0.022 wt% C

 

C

Fe

3

C

 = 6.70 wt% C 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

  

+

 

Fe

3

C 

a

 

 

+

 

Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

C

 

wt% C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

727ºC

 

C

0

 

R

 

C

Fe  C

 

C

a

 

Amount of Fe

3

C in 100 g  

 

 

= (100 g)W

Fe

3

C

   

 

 

= (100 g)(0.057) = 5.7 g

  


background image

Chapter 9 -  34 

Solution to Example Problem (cont.) 

c)   Using the VX tie line just above the eutectoid and 

realizing that

 

C

0

 = 0.40 wt% C 

C

a

 = 0.022 wt% C

 

C

pearlite

 = C

 = 0.76 wt% C 

Fe

3

(c

ementit

e)

 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

0 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

6.7 

 

 

(austenite) 

 +

  

+

 

Fe

3

C 

a

 

 

+

 

Fe

3

C 

L+Fe

3

C 

 

C, wt% C 

1148ºC

 

T

(ºC) 

727ºC

 

C

0

 

V

 

C

 

C

a

 

Amount of pearlite in 100 g  

 

 

= (100 g)W

pearlite

   

 

 

= (100 g)(0.512) = 51.2 g

  


background image

Chapter 9 -  35 

Alloying with Other Elements 

•  T

eutectoid

 changes:  

Adapted from Fig. 9.34,Callister & Rethwisch 8e.  
(Fig. 9.34 from Edgar C. Bain, Functions of the 
Alloying Elements in Steel
, American Society for 
Metals, 1939, p. 127.) 

T

 

Eutectoid

 

 (ºC

)

 

wt. % of alloying elements 

Ti

 

Ni 

Mo 

Si 

W 

Cr 

Mn 

•  C

eutectoid

 changes:  

Adapted from Fig. 9.35,Callister & Rethwisch 8e
(Fig. 9.35 from Edgar C. Bain, Functions of the 
Alloying Elements in Steel
, American Society for 
Metals, 1939, p. 127.) 

wt. % of alloying elements 

C

 

eu

tec

toid

 

 (w

t%

 C)

 

Ni 

Ti 

Cr 

Si

 

Mn 

W 

Mo 


background image

Chapter 9 -  36 

•  

Phase diagrams

 are useful tools to determine: 

-- the number and types of phases present, 
-- the 

composition

 of each phase, 

-- and the weight fraction of each phase  

given the temperature and composition of the system. 

•  The microstructure of an alloy depends on  

-- its composition, and  
-- whether or not cooling rate allows for maintenance of   
    equilibrium. 

•  Important phase diagram phase transformations include  
     

eutectic

eutectoid

, and 

peritectic

Summary 




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 110 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل