The Fe-C PhaseDiagram

The  basis  for  the  understanding  of  the  heat  treatment  of  steels  is  the  Fe-C  phase  diagram    Because  it  is  well
explained  in  earlier  volumes  of  ASM  Handbook,  formerly  Metals  Handbook  (Ref  1,  2,  3),  and  in  many  elementary
textbooks,  it  will  be  treated  very  briefly  here.  Figure  1  actually  shows  two  diagrams;  the  stable  iron-graphite  diagram
(dashed  lines)  and  the  metastable  Fe-Fe3C  diagram.  The  stable  condition  usually  takes  a  very  long  time  to  develop,
especially in the low-temperature and low-carbon range, and therefore the metastable diagram is of more interest. The FeC diagram showswhich phases are to be expected at equilibrium (or metastable equilibrium) for different combinationsof
carbon  concentration  and  temperature.  Table  1  provides  a  summary  of  important  metallurgical  phases  and
microconstituents.  We  distinguish  at  the  low-carbon  end  ferrite(α-iron),  which  can  at  most  dissolve  0.028  wt%  C  at  727
°C (1341 °F) and austenite(γ-iron), which can dissolve 2.11 wt% C at 1148 °C (2098 °F). At the carbon-rich side we find
cementite  (Fe3C).  Of  less  interest,  except  for  highly  alloyed  steels,  is  the  δ-ferrite  existing  at  the  highest  temperatures.
Between  the  single-phase  fields  are  found  regions  with  mixtures  of  two  phases,  such  as  ferrite  +  cementite,  austenite  +
cementite,  and  ferrite  +  austenite.  At  the  highest  temperatures,  the  liquid  phase  field  can  be  found  and  below  this  are  the
two  phase  fields  liquid  +  austenite,  liquid  +  cementite,  and  liquid  + δ-ferrite.  In  heat  treating  of  steels,  the  liquid  phase  is
always  avoided.  Some  important  boundaries  at  single-phase  fields  have  been  given  special  names  that  facilitate  the
discussion. These include:
·  A1, theso-called eutectoid temperature, which is the minimumtemperature for austenite
·  A3
,  the  lower-temperature  boundary  of  the  austenite  region  at  low  carbon  contents,  that  is,  the  γ/γ  +  α
boundary
·  Acm, the counterpartboundaryfor high carbon contents, that is, the γ/γ + Fe3C boundary
Sometimes the  letters  c,  e,  or  r are included.  Relevant definitions  of terms associated with phase  transformations  of  steels
can  be  found  in  Table  2  as  well  as  the  Glossary  of  Terms  in  this  Volume  and  Ref  3.  The  carbon  content  at  which  the
minimum  austenite  temperature  is  attained  is  called  the  eutectoid  carbon  content  (0.77  wt%  C).  The  ferrite-cementite
phase mixture  of  this composition formed during cooling has a characteristic appearance and  is called  pearlite and can  be
treated  as  a  microstructural  entity  or  microconstituent.  It  is  an  aggregate  of  alternating  ferrite  and  cementite  lamellae  that
degenerates  ("spheroidizes"  or  "coarsens")  into  cementite  particles  dispersed  with  a  ferrite  matrix  after  extended  hold