heat treatment of steel vi - nptelnptel.ac.in/courses/113105023/lecture36.pdf · heat treatment of...

22
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | 1 Module 36 Heat treatment of steel VI Lecture 36 Heat treatment of steel VI

Upload: ngonhi

Post on 21-Jun-2018

226 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Module 36

Heat treatment of steel VI

Lecture 36

Heat treatment of steel VI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Keywords : Jominy end quench test, physical significance of hardenability & severity of quench, factors 

affecting hardenability, effect of tempering on toughness of steel, temper embrittlement 

Introduction  This is the last module on heat treatment of steel. Hardening followed by tempering no doubt 

gives the best combination of strength and toughness  in steel. However the ability of steel to 

harden  depends  on  its  section  size,  composition,  austenitizing  temperature,  and  quenching 

medium. It is best described by a term called hardenability. It gives an estimate of the depth of 

hardness. When red hot steel  is quenched the cooling rate at  its surface  is no doubt going be 

very  high  but  that  at  its  centre will  be  relatively  less.  The  difference  between  the  two  is  a 

function  of  the  section  size  of  the  component.  Therefore  even  if  you  may  have  100%M 

(martensite)  at  the  surface  the  amount  of M  at  its  centre may  be  low.  The  distance  of  the 

region having 50%M and 50%FP (fine pearlite) from the periphery is defined as the depth of the 

hardened  zone or  the depth of hardness. The  reason  for  the  selection of  such a  criterion  to 

determine the depth of hardness is its easy detection by the difference in the etching contrast 

of  the  two distinct zones: hard and soft, under an optical microscope. However  the depth of 

hardness depends on  several parameters  like  section  size,  shape and quenching medium  (or 

cooling  rate)  for  a particular  grade of  steel.  It  is not  a material parameter or property.  It  is 

necessary  to  introduce  the concept of an  ideal quenching medium having  infinite  severity of 

quenching  to define  a material parameter which  could  represent hardenability.  Ideal  critical 

diameter (DI) is such a parameter. It is the diameter of a cylindrical specimen of steel which on 

quenching  in an  ideal quenching medium develops a microstructure  consisting of 50%M and 

50%FP at  its centre. A method of estimating the same was described  in the  last module.  It  is 

however a very  tedious and  time  taking procedure  to  find out  the hardenabilty of  steel. You 

also need a very large number of samples. Let us now look at a much more convenient method 

of determining hardenability of  steel. This  is  called  Jominy end quench  test.  It uses gradient 

quench technique. Slide 1 describes the procedure with help of a set of diagrams. 

Page 3: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Jominy end quench test

6454

Rc

dx

DI

x

25mm10

0

End quench by water & measure

Rc hardness

CR is maximum at the bottom & decreases as

you go up.

A single specimen gives

hardenability

(a) (b) (c)

(d)

 

Jominy end quench test:  It  uses  a  cylindrical  steel  sample  of  standard  dimension.  It  is  100mm  (4inches)  long  and  its 

diameter is 25mm (1inch). One of its ends either has a collar or a fixture so that it could be held 

vertically  in  a  device  so  that  its  bottom  face  could  be  cooled  by  a  stream  of water  flowing 

upwards from a tap at a specified distance.  The specimen is austenitized at the recommended 

temperature for sufficiently long time so that it gets transformed into homogeneous austenite. 

It is then taken out of the furnace and placed vertically in a fixture so that its bottom face can 

be cooled by a stream of water flowing upwards. This is illustrated with the help of a sketch (a) 

in slide 1. A set of arrows pointing upwards represents the direction of the flowing water before 

striking the bottom of the specimen. The flowing water extracts heat from one end (the base or 

the lower face) of the red hot steel. This is the face having the highest rate of cooling whereas 

the far end has the lowest rate of cooling. The heat flow is predominantly unidirectional. It may 

take a few minutes to cool down. Once  it  is cold a part of the cylindrical face  is ground off as 

shown in the sketch (b) of slide 1. This is to facilitate hardness measurement at regular intervals 

of  distance  from  the  quenched  end. Rockwell  hardness  tester  is  used  to measure  hardness. 

There are  fixtures  to hold  the  Jominy  test piece on  the base of  the hardness  tester. This has 

facility  to move  the  test piece  axially  in  steps of 1/16th of  an  inch. Hardness  is measured  in 

Rockwell  C  scale.  Figure  (c)  in  slide  1  shows  a  typical  hardness  versus  distance  plot.  The 

quenched end has the highest hardness as expected.  If %C  is greater than 0.6  it  is  likely to be 

Rc64. The distance at which  the hardness drops  to Rc54, gives  the depth of hardness.  In  this 

case it is x (see sketch c in slide 1). Higher the magnitude of x higher is the hardenability. Jominy 

depth has a direct correlation with ideal critical diameter. The sketch (d) in slide 1 gives a typical 

plot  of  DI  versus  x.  This  helps  convert  Jominy  depth  into  ideal  critical  diameter.  Thus  it  is 

possible to estimate the hardenability of steel and express the same in terms of DI from a single 

Slide 1 

Page 4: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

specimen  test.  This  is  the main  advantage  of  Jominy  end  quenched  test.  This  is why  it  has 

become a standard industrial practice to determine hardenability of steel.  Figure 1 shows the 

effect of %C on the hardness versus distance plots of Jominy end quenched specimens.  

 

Physical significance of hardenabilty and severity of quenching:  Hardenability is a measure of the ability of steel to get hardened on quenching. It is expressed 

in terms of ideal critical diameter (DI). It is the diameter of a cylindrical piece of steel which on 

quenching in an ideal medium having infinite severity of quenching (H) gives 50% martensite at 

its centre. H defines the capacity of the quenching medium to extract heat from the  interface 

between the hot specimen and the surrounding medium. The problem becomes complex if the 

medium gets vaporized to  form an  insulating film on the  interface. The heat extraction  is not 

very effective unless  the  film breaks down  into  tiny bubbles which could easily  float  to setup 

convection current or agitation. This stage  is known as nucleate boiling (NB). This  is when the 

heat extraction rate becomes very high. Once the surface temperature drops below the boiling 

point of the medium  formation of bubbles may cease but  the temperature of medium at the 

interface still remains higher that further away from it. Heat would therefore continue to flow 

from the solid  liquid  interface by normal convection. Because of this complexity heat transfer 

rate  is not expected to be constant. Nevertheless  for simplicity Grossman assumed  this  to be 

constant. The effective heat transfer coefficient, apart from the three modes of heat transfer, 

conduction, convection and radiation, should depend on the capacity of the medium to absorb 

heat or its thermo‐physical properties. Slide 2 illustrates with the help of a set of sketches and 

the cooling curve at the interface, the three different stages of heat transfer during: Film boiling 

(FB), Nucleate boiling (NB) and Convection, during water quenching.  

Rc 

Effect of %C 

Distance from quenched end 

50%M + 50% ( +P) 

Hardenability 

Fig 1: Effect of %C on the hardenability of steel. 

Hardness of martensite  increases with %C but 

beyond  0.6%C  the  increase  is  nominal.  The 

hardness corresponding to 50%M + 50% ferrite 

pearlite too would increase initially and beyond 

0.6  it may  not  change much. Hardenability  or 

the Jominy depth increases with increasing %C.

Page 5: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Heat transfer during water quenching

T

time

Steam blanket

NBconvection

s fs s

s fs

dQ dTh T T k

dt dx

dT hT T

dx k

Heat transfer within steel takes place by conduction. The heat flux at QM / steel interface should be equal.

 

Heat  transfer within steel  takes place by conduction. At any  instant the heat  ( )  flux at the interface between steel and the quenching medium should be equal. Note that: 

Heat flux at the interface due to conduction within steel =                               (1) 

Heat flux absorbed at the interface by the quenching medium =           (2) 

T  denotes  the  temperature  of  steel  at  a  distance  x  from  the  interface,  k  is  the  thermal 

conductivity of steel, TS is the temperature of the quenching medium at the interface, Tf is the 

average temperature of the quenching medium surrounding the interface, and h is the effective 

heat transfer coefficient at the interface. Equating the two you get the following expression: 

                                                                              (3) 

In spite of several simplifying assumptions (such as: h & k are constant at all times) equation 3 

does  give  a  quantitative  insight  into  the  cooling  characteristics  of  samples  of  different 

dimensions  in  a wide  range  of  quenching medium.  Solution  of  equation  3 may  not  be  that 

simple. This  is because both T and Ts are functions of time and the equation  is valid only at a 

given  instant  of  time. We will  not  try  to  solve  it  but  if we  convert  it  in  terms  normalized 

temperature  and  normalized  distance  the  effect  of  specimen  size  and  quenching  medium 

becomes much easier to interpret.  

Normalized  temperature  (U  or  sometimes  called  reduced  temperature)  and  normalized 

distance (Z) are defined as follows: 

Slide 2

Page 6: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

                           (4) 

                                 (5) 

D  is  the  diameter  of  the  cylindrical  sample,  Ti  is  the  initial  temperature  (austenitizing 

temperature) and Tf  is  the  final  temperature  (or  the  temperature of  the quenching medium. 

Substitute equation 4 & 5 in equation 3 to get the following expression: 

≅                                                        (6) 

Recall that the severity of quenching = H =                    (7) 

Equation 6 can be integrated and the constant of integration can be shown to be zero because 

at Z = 0, U=1. This gives: 

                                                                 (8) 

Therefore all cylindrical components of different diameters quenched in different media should 

have similar thermal gradient at any  instant  if the product HD happens to be the same. Note 

the product HD  is a dimensionless parameter.  It  is popularly known as Biot number.  It  is an 

indicator of the relative importance of conduction and convection during heating or cooling of a 

body by convection at the surface. It may also be defined as the ratio of the resistance to heat 

transfer  due  to  conduction within  the  body  and  that  due  to  convection  in  the  surrounding 

medium. Figure 2 gives a set of plots  for normalized  temperature versus normalized distance 

for a set of different Biot numbers. These have been generated using equation 8. Biot number 

corresponding  to  air  cooling  is  very  low  (~0.0025).  Therefore  for  all  practical  purposes  the 

temperature within the body may be assumed to be uniform.  

Page 7: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Fig 2: Shows a set of curves representing the temperature profile set up within a body due to heat flow from  its  surface  to  the  cooling medium  surrounding  it.    The  Biot  numbers,  describing  the  relative importance  of  conductive  heat  transfer  within  the  body  and  the  convective  heat  transfer  in  the surrounding are given in the legend. The thermal gradient increases with increasing severity of cooling.  

Figure2 shows the combined effect of the severity of cooling (H) and the size of the sample (D) 

on the temperature gradient that develops within steel on quenching. A large thermal gradient 

means a longer time gap between the transformations occurring at the surface and the centre. 

It  is  likely  to  give  a  large difference  in hardness  too.    For  example  take  a  thin  steel wire of 

diameter  0.001in  and  quench  it  from  its  austenitic  state  in  a medium whose H  =  0.25.  The 

product HD = 0.0025 (This  in fact  is the Biot number).   From fig 2  it appears that there would 

hardly be any temperature gradient within the wire as  it cools. Therefore the structure within 

the wire  should  be  uniform.  Take  the  case  of  a  1in  diameter  steel  rod. Quench  it  from  its 

austenitic state in iced brine with agitation. Assume H to be 5. The product HD = 5. Look at the 

curve  corresponding  to  HD=5  in  fig  2.  The  gradient  is  sharp.  The  time  gap  between  the 

transformations at  the  surface and  the  centre would be  significant. This  is  further explained 

with the help of a set of cooling curves for a thin wire and a thick rod in fig 3. The surface would 

always cool  faster. Every point within the body would pass through the same temperature at 

different points of time. The gap between the two is a function of the size of the specimen for a 

given quenching medium.  It  is very small  in the case of a thin wire. Figure 3 also  includes the 

CCT diagram of eutectoid steel.  In the case of the thin wire the two cooling curves (labeled as S 

&  C)  completely  avoid  the  lines  representing  pearlitic  transformation  but  intersect  the  line 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

‐0.5‐0.4‐0.3‐0.2‐0.10

Norm

alized temperature

Normalized distance from quenched end

0.0025

0.5

1

5

10

50

Page 8: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

denoting Ms temperature within a short time gap. The microstructure of the wire  is therefore 

expected  to  be  the  same  from  its  surface  to  its  centre. 

 

Fig 3: Shows the effect of HD on the cooling curves at the centre and the surface of test specimen or 

products. The thin wire  is quenched  in oil. HD  is  low. The thick wire  is quenched  in water. HD  is high. 

Note  that  in  the  case  of  thin  wire  the  temperature  difference  between  the  two  locations  is  small 

whereas  it much  larger  in  the  case  of  the  thick  rod.  This  has  significant  effect  on  the  evolution  of 

microstructure within  the  two  samples. Thin wire has uniform  structure.  It  is  totally martensitic. The 

thick rod would consist of 100%M at the surface but 100%fine pearlite at its centre.   

 

However in the case of the thick rod (see fig 3) only the cooling curve of its surface completely 

avoids  the  lines  representing  pearlitic  transformation.  It  intersects  the  line  denoting  Ms 

Normalized distance from the surface 

HRC 

64 

35 

S  C 

Thick Rod 

Thin wire 

Fig  4:  Hardness  versus  distance  plots 

across the sections of the thin wire and 

the thick rod. The magnitudes of HD for 

the wire and the rod are 0.0025 and 5.0 

respectively.  

Log (t)

Coarse Pearlite 

Fine Pearlite

A1

MS 

Mf 

 + M 

CentreSurface

 + P 

S  C 

Thick rodThin wire 

log t 

Page 9: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

Temperature  much  before  any  transformation  begins  at  the  centre  of  the  rod.  The 

microstructure of the thick rod would therefore consist of 100% martensite. The cooling curve 

at  the centre of  the  rod  intersects  the pearlite start and  finish  lines before crossing Ms & Mf 

temperatures.  Therefore  the microstructure  of  the  centre  of  the  thick  rod  should  be  100% 

pearlite.  In  between  there  will  be  regions  consisting  of martensite  and  pearlite  in  varying 

proportions. The hardness at  its surface  is expected to be much higher than that at its centre. 

Figure 4 shows the expected hardness versus distance plot in the case of both the thick and the 

thin  rods.  In  other  words  the  hardness  profile may  look  very much  similar  to  that  of  the 

temperature versus distance plots. 

Factors affecting hardenability of steel:  Three most important factors that affect hardenability of steel are austenitic grain size, %C and 

the presence of additional alloy elements. Hardenability is closely connected with the ease with 

which diffusion controlled transformation can be suppressed. Diffusion control transformation 

takes  place  by  nucleation  and  growth.  Grain  boundaries  are  the  preferred  sites  for  the 

nucleation  of  pro‐eutectoid  /  eutectoid  constituents  of  steel.  Grain  boundary  area  per  unit 

volume decreases as  the  size of austenite grain  increases.    It  is much easier  to  suppress  the 

nucleation of ferrite and pearlite in coarse grained steel. Therefore it is expected to have higher 

hardenability. This is illustrated in slide 3.  

Factors affecting hardenability

•Austenite grain size

•Carbon

•Alloy addition

n=2N-1

N: grain size no. ASTM

n: no. grains / sq in at 100X

Higher no. : finer grain & lower hardenability

%C

DI#8

#7#6

 

 

 

Slide 3 

Page 10: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Austenitic grain size of steel is represented by ASTM grain size number (N). If n is the number of 

grains  of  austenite  per  square  inch  seen  under  an  optical microscope  at  a magnification  of 

100X, the ASTM grain size number is given by: 

2                                  (9) 

If N = 6, n = 32.  It means  its microstructure at 100X should have 32 austenite grains  in every 

square  inch.  It also suggests that higher the grain size number higher  is the number of grains 

per unit area. In other words higher N denotes finer grain size. Slide 3 has a set of plots showing 

the effect of %C and ASTM grain size number on the ideal critical diameter of steel (DI).  Note 

that for a given %C, DI increases with decreasing N. It means coarser the austenite grains gives 

higher hardenability.  

How do we find austenite grain size? Austenite is not stable at room temperature. It transforms 

into a structure consisting of ferrite and pearlite. A grain of austenite  in the case of eutectoid 

steel may  transform  into  several  nodules  of  pearlite  as  shown  in  fig  5.  It may  therefore  be 

difficult  to  identify  the prior  austenite  grain boundaries.  Figure 5  also  suggests  a method of 

marking by controlled isothermal transformation at temperature a little below A1 for a specific 

period before final quenching. Pearlitic transformation is controlled by nucleation and growth. 

Grain boundaries are the most preferred sites for nucleation.  Figure 5 shows how it helps mark 

the  prior  austenite  boundaries.    Do  not  allow  the  nodules  to  become  very  large.    Avoid 

impingement,  but  there  should  be  enough  nodules  to mark  the  boundary.  Usually  15‐20% 

transformation  may  be  sufficient.  The  balance  austenite  transforms  into  martensite  on 

quenching.  The  final  structure would  consist of primarily martensite with  several nodules of 

PAGB 

Pearlite 

Nodules 

Martensite Fig  5:  Dotted  lines  in  the  two 

microstructures  represent prior 

austenitic  grain  boundary 

(PAGB).  It  cannot  be  seen  at 

room  temperature  since    is replaced by nodules of pearlite. 

Quenching  after  partial 

transformation makes it visible. 

Page 11: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

11 

pearlite  along  the  prior  austenite  boundaries.  Such  a  structure  facilitates  estimation  of 

austenitic grain size. There are also special etching  reagents  that can help  identify PAGB  in a 

fully martensitic structure. 

 

Figure 6 shows the effect austenite grain size on the CCT diagram of hypo‐eutectoid steel. Grain 

boundaries  are  the  preferred  sites  for  the  nucleation  of  pro‐eutectoid  ferrite  and  pearlite. 

Average length of grain boundaries / unit area or average grain boundary area / unit volume is 

a measure of the number of nucleation sites. Clearly the number of such sites  increases with 

increasing  grain  size  number.  Therefore  it would  be more  difficult  to  suppress  formation  of 

ferrite and pearlite.  In other words  fine grain means  low hardenability whereas  coarse grain 

means high hardenability. However it is not a preferred method to increase hardenability. This 

is because coarse grain  structure has poor  toughness and  therefore  it  is more  susceptible  to 

quench cracking or failure.  

The  second  sketch  in  fig  6  shows  the  effect  of  increasing %C  on  the  CCT  diagram  of  hypo‐

eutectoid steel. It affects A3, Ms and Mf temperatures. All of them decrease with increasing %C. 

However  what  affects  hardenability  is  the  effect  of  %C  on  the  position  of  the  curves 

representing  the starting and  the  finishing points  for  the precipitation of  ferrite and pearlite. 

Figure 6  suggests  that  it  slows down  the precipitation of both  ferrite and pearlite. Therefore 

hardenabilty would increase with increasing %C.  

All alloy elements with the exception of Co improves the hardenability of steel. The presence of 

additional  alloy  elements makes  all  diffusion  controlled  transformation  sluggish.  The  critical 

T

Ms

Mf

A1

A3

+ M

Ms 

Mf 

A1 

A3 

 + M 

Log (t)  Log (t) 

+ P

 + P

Effect of increasing 

austenite grain sizeEffect of increasing % C 

Fig 6: Effect of  increasing austenite grain size and  increasing % C on  the CCT diagram of hypo‐

eutectoid steel. This is closely related to the hardenability of steel. 

Page 12: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

12 

cooling rate to avoid pearlitic transformation decreases. Therefore  it becomes much easier to 

avoid  transformation  of  austenite  into  a mixture  of  ferrite  and  carbide.  Figure  7  shows  the 

effect of alloy addition on the CCT diagram of steel. Alloying elements are often classified into 

two categories: austenite or ferrite stabilizer.  

 

Irrespective of whether an alloy element is a ferrite or an austenite stabilizer it makes diffusion 

controlled transformation slow. Therefore the curves denoting the starting of the finish points 

of such transformation shift to the right (or towards longer times) of the CCT diagram. Effect of 

alloy addition may affect  the pearlitic and bainitic  transformations differently. An example  is 

given in fig 8. 

Fig 7: Effect of increasing alloy addition on the CCT diagram of hypo‐eutectoid steel. Irrespective 

of the alloy being either a ferrite or an austenite stabilizer all of these increase the hardenability 

of  steel  (Exception  cobalt.  It  decreases  hardenability).  This  is  because  alloy  addition  makes 

diffusion  controlled  transformation  slow.  It  decreases  critical  cooling  rate  to  avoid 

transformation of austenite to ferrite carbide structure.  

+ P

Effect of increasing 

ferrite stabilizer

Ms 

Mf 

A1 

A3 

+ M 

Log (t) 

T

Ms

Mf

A1

A3

+ M

Log (t) 

 + P

Effect of increasing 

austenite stabilizer 

Page 13: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

13 

 

Hardness of steel depends only on its carbon content. However, plain carbon steel can be fully 

hardened only if its section size is less. For components like thin wire, hack saw or razor blade 

hardening  is not at all a problem. Such components can be hardened at moderate severity of 

quenching. If the section size becomes large very high quenching severity may be needed to get 

the  same hardness. This would  setup  a  large  thermal gradient between  the  surface  and  the 

centre of the component. The transformation stresses that may develop under such a situation 

would make the component highly susceptible to quench crack and / or distortion. Addition of 

alloying elements makes steel harden‐able at moderate cooling rates. In other words the main 

reason  for  the  addition  of  alloying  elements  to  steel  is  to  increase  its  hardenability.  The 

effectiveness of a particular element  in  increasing the hardenability  is expressed  in terms of a 

multiplying factor. Slide 4 gives a partial list of such factors for a number of common alloying in 

a  tabular  form.  The  first  row  gives  the headings of each  column.  The  first  column  gives  the 

weight  %  of  a  particular  alloy  element  (X).  The  numbers  under  the  column  C#6  give  the 

multiplying factors for austenite grain size corresponding to ASTM grain size number (N) 6 as a 

Ms 

Mf 

A3 

A1 

 + M 

+  

 + B 

Bf 

Pf 

Bs 

Ps   + P 

Log (t, sec) 

 +  + P 

1  106 0 

900°C 

60 

20 

40 

50 

30 

HRC 

Fig 8: Shows the transformation diagram of low alloy medium carbon steel having Ni, Cr, and Mo. 

Elements  like Mo & B affect pearlitic and bainitic portions of the C curve differently. Here  is an 

example where  the  transformation of austenite  to pearlite  is  slower  than  that of austenite  to 

bainite. In such steels it is possible to get bainite even on continuous cooling. Recall that you can 

get bainite  in plain carbon  steel only by  isothermal  transformation. The sketch  is not  to scale. 

Numbers have been included to give an approximate idea about the time scale, the temperature 

and the hardness of the transformation product obtained under different cooling conditions. In 

order to get martensite at the surface of low alloy steel it should be cooled from austenitic state 

at a rate so as reach Ms temperature within 100sec.  

Page 14: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

14 

function  of %C.  The  numbers  under  the  columns Mn,  Si, Ni,  Cr, Mo  give  the multiplication 

factors  for  the  respective elements  as  a  function of  its  composition. Note  that  the numbers 

listed under these are all greater than 1. It signifies the addition of alloying elements increases 

the harden‐ability of steel. You already know that harden‐ability is expressed in terms of ideal 

critical diameter.   Look at the  figures entered under the columns C#6, C#7 & C#8 against the 

row  corresponding  to 0.30%. These are 0.20, 0.19 and 0.17. The  sequence  suggests  that  the 

ideal critical diameter of 0.3%C steel decreases as its ASTM grain size number increases from 6 

to 8. The multiplying  factors given  in  such  tables are obtained  from experimental data. ASM 

Metals Handbook is an excellent source of tables giving harden‐ability multiplication factors. It 

can be used to estimate harden‐ability of steel from its composition using the expression given 

in  slide  4.  For  example;  the  ideal  critical  diameter  of  0.15%C,  0.35%Cr,  and  0.25% Mo  steel 

having ASTM grain size 7 is equal to 0.13 x 1.76 x 1.75 = 0.40. Note that such a small addition of 

Cr & Mo to steel increases the magnitude of DI of 0.15%C steel from 0.13 inch to 0.4.  

Effect of alloy element

% C#6 C#7 C#8 Mn Si Ni Cr Mo

0.05 0.08 0.08 0.70 1.17 1.04 1.02 1.11 1.15

0.10 0.12 0.11 0.10 1.33 1.07 1.04 1.22 1.30

0.15 0.14 0.13 0.12 1.50 1.11 1.06 1.32 1.45

0.20 0.16 0.15 0.14 1.67 1.14 1.07 1.43 1.60

0.25 0.18 0.17 0.16 1.83 1.18 1.09 1.54 1.75

0.30 0.20 0.19 0.17 2.00 1.21 1.11 1.65 1.90

0.35 0.22 0.20 0.18 2.17 1.25 1.13 1.76 2.05

DI = f1 x f2 x f3 x f4 x f5 xf6

 

Effect of tempering on the toughness of steel:  The  hardness  of  steel  can  be  increased  significantly  by  quenching  from  its  austenitic  state. 

However this is accompanied by a significant loss of ductility and toughness. Hardened steel is 

often brittle and prone to cracking. This makes it unusable. Therefore hardening heat treatment 

is  always  followed by  tempering.  It was discussed  in  connection with  the heat  treatment of 

plain carbon steel. During tempering steel may be heated to a temperature below A1 for around 

an  hour.  Tempering  temperature  and  time may  however  vary  depending  on  its  application. 

Slide 4

Page 15: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

15 

Depending on its composition hardened steel may consist of martensite, retained austenite and 

cementite  (if  it  is hyper‐eutectoid steel). Both martensite and austenite are unstable at room 

temperature. On  heating  both may  transform  into  an  extremely  fine mixture  of  ferrite  and 

carbide. As a  result  its hardness decreases but  its ductility as well as  its  toughness  increases. 

The kinetics of decomposition of martensite and austenite is best followed by hardness versus 

temperature or hardness versus time plots. See fig 9.  

 

Although  the main purpose of  tempering  is  to  improve  the ductility  and  toughness of  steel, 

sometimes you may find that the toughness or ductility of steel decreases on tempering. The 

phenomenon is known as embrittlement.  This cannot be detected by hardness measurement. 

Izod / Charpy  V‐notch Impact test or fracture toughness test is used to detect the susceptibility 

of steel to embrittlement. There are two distinct kinds of situations  

TME:  tempered martensitic  embrittlement:  250°  /  350°  C  also  known  as OSTE  (One 

Stage Temper Embrittlement) : occurs once 

TE:  temper embrittlement: high  temp  tempering  (350° – 550°C)  +  slow  cooling:  TSTE 

(Two  Stage  Temper  Embrittlement)  reappears  if  tempered  again  in  the  same  temp 

range. 

Temp. 

HRC 

t1 > t2 > t3 

t1 t2 

t2 

(a) 

Time 

HRC  Temp. 

T1 

T2 

T3 

T1 > T2 > T3 

(b) 

Fig 9: Show the effect of temperature and time on the hardness of steel. HRC decreases with 

increasing temperature and time. The transformations  that take place during  tempering have 

been discussed in module 34 & 35. With alloy addition the kinetics of transformation becomes 

slow. The presence of a few alloy elements adversely affects the toughness of steel. Hardness 

plot does not reveal that. Drop in hardness does not always indicate increase in toughness. 

Page 16: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

16 

Embrittlement  is  accompanied  by  loss  of  toughness  and  an  increase  in  its  ductile  to  brittle 

transition  temperature  (DBTT).  It  is  also  characterized  by  inter‐granular  fracture.  The main 

features of the two types of embrittlement are explained with help of sketches in slide 5 & 6.  

Embrittlement  is always associated with the formation of brittle precipitates or film along the 

grain boundaries. The presence of  trace elements  increases  susceptibility  too embrittlement. 

Harmful trace elements in steel are As, P, Sn, and Sb. Presence of such elements in exceedingly 

small  amount  (~0.01%)  may  cause  TME.  Transformation  of  retained  austenite  at  lath 

boundaries may  also  be  responsible  for  TME.  The  diagram  in  slide  5  shows  the  effect  of 

tempering temperature on hardness (RC) and impact toughness (CVN). Hardness decreases with 

increasing temperature. CVN versus tempering temperature plot too increases with increasing 

temperature except for a slight drop in its magnitude around 250°C. It occurs only once.  

Effect of tempering on toughness: TME

CVN

Rc

Temp250

P Segregation on prior GB (As, Sn, Sb) amt ~0.01%

(high carbon) at lath boundary converts to + thin carbide plates

Loss of toughness due to TME

 

Slide 5 

Page 17: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

17 

Temper embrittlement: TSTE

NE

~600

E

T

CV

N

Temp

Q

AC

Long term service exposure to 350 -550 C also results in such embrittlement. It can be de-embrittled by re-tempering & fast cooling. Reasons: P, Sn, Sb, As, N

segregation & their interaction with Cr, Mn, Ni. Mo helps avoid such embrittlement.

TME

TSTE

Time

 

The sketch on the  left of slide 6 shows heat treatment cycle during hardening and tempering. 

After tempering at 600°C, embrittlement takes place only if the job is cooled slowly through the 

temperature  range  350°‐550°C.  Embrittlement  can  be  avoided  by  oil  quenching  after 

tempering. This suggests that it is due to precipitation. The sketch on the right shows the effect 

of  tempering  temperature  on  CVN.  It  drops  significantly  on  slow  cooling  (air  cooling)  from 

600°C. The best way to avoid this is to adopt fast cooling. Alloy steels are more prone to TSTE. It 

is associated with the segregation of trace elements like P, Sn, Sb, As, & N to grain boundaries. 

It is more common in alloy steel having Cr, Ni & Mn. Long thermal exposure in the temperature 

range of 350‐550C also makes steel brittle. The only way to make  it ductile again is to harden 

and temper the job at 600°C followed by quenching. Avoid tempering steel in the temperature 

range which makes it brittle. Presence of Mo in steel prevents temper brittleness.   

Slide 6

Page 18: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

18 

Temper embrittlement: DBTT

Test temp

CV

N

FC after tempering

SC after tempering

 

Slide  7  shows  the  effect  of  test  temperature  on  the  CVN  impact  toughness  of  steel  after 

tempering. It has two plots. One of these corresponds to slow cooling after tempering whereas 

the  other  represents  the  effect  of  fast  cooling  after  tempering.  Note  that  sharp  drop  in 

toughness occurs at temperatures shown by the two vertical lines. These are known as ductile 

to  brittle  transition  temperature  (DBTT).  Temper  embrittled  steel  has  higher  transition 

temperature. Sometimes it can be as high as 70/80°C. This makes steel prone to brittle failure.  

Summary:  In  this module we  have  learnt  about  Jominy  end  quench  test.  This  is  a  simple method  of 

determining harden‐ability of steel. Although Grossman method gives the physical significance 

of  harden‐ability  it  is  a  rather  long  drawn  process  involving  heat  treatment  of multiple  test 

samples. Jominy test needs only one standard test piece. This  is why  it  is the most commonly 

used  technique  to  determine  hardenability.  It  is  necessary  to  have  an  idea  about  the 

mechanism of heat transfer during quenching. It helps one understand the physical significance 

of term called severity of quench  (H).  It gives the power of the quenching medium to extract 

heat  from  red  hot  steel.  The  product HD  is  a  dimensionless  parameter.  It  is  known  as  Biot 

number.  Its  role  in  the  selection of appropriate quenching medium has been explained with 

illustrations. We  also  looked  at  the  factors  that  affect  the  hardenability  of  steel.  Although 

coarse austenite grain size gives higher hardenability it is not usually preferred. The best way to 

improve harden‐ability is the addition of alloy element. The role of alloy addition in improving 

harden‐ability  of  steel  is  expressed  in  terms  of  a  set  of  multiplying  factors.  This  helps  in 

estimating  the  hardenability  of  steel  if  its  composition  and  ASTM  grain  size  number  were 

known. Effect of alloy addition on  tempering of steel has been  revisited. Alloy addition slows 

Slide 7 

Page 19: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

19 

down  tempering  kinetics.  It  may  also  induce  brittleness  in  steel.  It  is  known  as  temper 

embrittlement.  There  are  two  kinds  of  embrittlement  one  occurring  at  a  relatively  lower 

tempering temperature and the other occurring at a higher tempering temperature. The reason 

for their occurrence and methods to overcome the problem has been discussed. 

Exercise:  

1. Give example of a shallow hardening and a deep hardening steel. 

2. Martensite in Fe‐30% Ni alloy is reversible but in most common grades of steel it is not 

reversible. Explain why it is so. 

3. Hardness of a quenched and  tempered steel  is  reported  to be Rc 35. What additional 

tests will you recommend to know that it has indeed been given this heat treatment?  

4. It  is apprehended  that a hardened and  tempered  steel has become brittle. Suggest a 

suitable test to check if it is so. 

5. Microstructure of a steel consists of 100% coarse pearlite. Its carbon content is reported 

to be 0.65%. Is this possible? 

6. Diameter of a hardened 1.0% carbon steel rod is found to have increased on tempering. 

What will you infer from this? 

7. A hardened steel has become embrittled on tempering. Can this be de‐embrittled?   

Answer:  

1. Most  low carbon steels are examples of shallow hardening. Most alloy steels  for tools 

and dies are examples of deep hardening  steel.   Many of  these exhibit air hardening 

characteristics. 

 

2. Martensitic  transformation  takes  place  through  shear when  temperature  goes  below 

Ms.  There  is  no  diffusion  or  change  in  composition.  Therefore  if  the  temperature  is 

again raised beyond Ms it should go back to austenitic state. Most commercial steel has 

carbon. Martenste  in  these  steel  is  susceptible  to  tempering  if  temperature  is  raised. 

Carbon precipitates as carbide. As a result composition changes. Therefore question of 

reverse martensitic  transformation does not arise. However Fe‐30Ni has  little  carbon. 

Here there is no precipitation. This is why it exhibits reverse martensitic transformation 

where it regains its original shape. Such alloys are known as shape memory alloys. This is 

shown schematically in the following schetch. 

 

 

 

Page 20: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

20 

 

 

 

 

 

 

 

3. Examine its microstructure to see if it has tempered martensitic structure. Fine pearlite 

can also give similar hardness.  

 

4.  Best test to know if it has been embrittled to find out is the Charpy V notch impact test. 

If  it  has  become  brittle  its  CVN  value  will  be  low  and  fractured  face  will  be 

predominantly cleavage with little notch root contraction. 

 

5. Only  eutectoid  steel  can  have  100%  pearlitic  structure.  Carbon  content  of  eutectoid 

steel is a function of other alloying elements present in steel. It must be an alloy steel. 

Relatively  fast    cooling  or  isothermal  trasformation  could  give  100%  pearlite.  This 

possibility is ruled out since the pearlite is coarse.  

 

6. 1% carbon steel is austenitized at 760˚C and subsequently quenched during hardening. 

Since  it has high carbon content  it  is  likely that  its Mf temperature  is  lower than room 

temperature. Therfore it would have some amount of retained austenite having a much 

more close packed  structure  than martensite. On  tempering  retained austenite would 

decompose  to martensite.  This  transformation  is  accompanied  by  volume  expansion. 

This is the most likely reason for increase in diameter. 

 

7. Certain alloy steel on tempering at 350˚‐550˚C may become embrittled. This is known as 

temper  embrittlement.  To  de‐embrittle  the  steel  it  must  again  be  hardened  and 

tempered at 600˚C followed by quenching. Fast cooling will help avoid exposure to the 

temperature range susceptible to such embrittlement. 

 

 

 

Ms 

Mf 

+ M 

Page 21: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

21 

Appendix 

Temperatures at which phase  transformation  takes place  in steel depend on  its composition. 

You can get these from iron carbon phase diagram. This is valid for plain carbon steel only. All 

commercial  grades  of  steel  have  several  other  alloying  elements.  Some  of  these  raise  the 

critical temperatures whereas others  lower them. The critical temperatures representing solid 

state transformation exhibit hysteresis. This is because of the difference in heating and cooling 

rates used to determine these. The critical temperatures estimated during the heating cycle are 

denoted as Ac whereas that obtained during cooling  is represented as Ar. The average of the 

two  may  be  assumed  to  the  equilibrium  temperature  (Ae).  There  are  three  critical 

temperatures.  Ae1  denotes  the  lower  critical  temperature.  Ae3  is  the  upper  critical 

temperature. Apart from these there is an additional critical temperature denoted as Ae2. This 

is the temperature at which ferrite in steel undergoes a transformation from ferromagnetic to 

paramagnetic state. For heat treatment of steel it important to have an idea about Ae1 & Ae3. 

This helps one decide the temperature to which a particular grade of steel must be heated for 

annealing, normalizing and hardening heat treatment. Besides these it is also important to have 

an idea about Bs & Ms temperature as well. All of these are functions of composition. Several 

empirical  equations  have  evolved  over  the  years.  These  are  valid  for  a  limited  range  of 

composition. Some of these are listed here. These have been taken from the following website 

site: 

www.gorni.eng.br/e/Gorni_SFHTHandbook.pdf  

Ref.  Andrews 

Austenite formation temperature (°C): 

Lower critical temp: Ae1 = 723 ‐ 16.9Ni + 29.1Si +6.38W – 10.7Mn +19.9Cr +290As 

Upper critical temp: Ae3 = 910 ‐ 203√C + 44.7Si – 15.2Ni + 31.5Mo + 104V +13.1 W – 30.0Mn + 

11.0Cr +20.0Cu – 700P – 400Al ‐120As – 400Ti 

Both of these are valid for low alloy steel having less than 0.6%C. Alloy contents are in wt%. 

Ref. Kirkaldy 

Bainite start temperature (°C): 

Bs = 656 – 57.7C – 35Mn – 75Si – 15.3Ni – 34Cr – 41.2Mo  Alloy contents are in wt% 

 

 

Page 22: Heat treatment of steel VI - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture36.pdf · Heat treatment of steel VI . ... Jominy end quench test, physical significance ... However the ability

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

22 

Martensite start temperature (°C): 

Andrews: 

Ms = 539 ‐ 423C – 30.4Mn – 17.7Ni ‐12.1Cr – 11.0Si – 7.0Mo  Alloy contents are in wt% 

This is valid for low alloy steel having less than 0.6C, 4.9Mn, 5.0Cr, 5.0N, and 5.4Mn 

Mf temperature is approximately 215°C less than that of Ms. (Stevens & Haynes)