كتاب Ferrous Materials Steel and Cast Iron

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كتاب Ferrous Materials Steel and Cast Iron

Contents
A Fundamentals of ferrous materials 3
H. Berns
A.1 Constitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
A.1.1 Pure iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
A.1.2 Iron-carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
A.1.2.1 The iron-cementite system . . . . . . . . . . . 11
A.1.2.2 The iron-graphite system . . . . . . . . . . . . 13
A.1.3 Alloyed iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
A.2 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
A.2.1 Near-equilibrium microstructure . . . . . . . . . . . . . 26
A.2.1.1 Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
A.2.1.2 Cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A.2.2 Non-equilibrium microstructure . . . . . . . . . . . . . . 36
A.2.2.1 Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A.2.2.2 Austenite transformation . . . . . . . . . . . . 38
A.2.2.3 Post-quenching morphology . . . . . . . . . . . 42
A.2.2.4 Reheating of quenchedmicrostructures . . . . 48
A.2.3 Morphology of cementite and graphite . . . . . . . . . . 53
A.3 Heat treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
A.3.1 Annealing processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
A.3.1.1 Baking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
A.3.1.2 Stress-relief annealing . . . . . . . . . . . . . . 58
A.3.1.3 Soft annealing of steel . . . . . . . . . . . . . . 59
A.3.1.4 Soft annealing of cast iron . . . . . . . . . . . 62
A.3.1.5 Normalising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
A.3.1.6 Temper annealing of cast iron . . . . . . . . . 63
A.3.1.7 Solution annealing . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A.3.1.8 Homogenising . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A.3.2 Hardening and related processes . . . . . . . . . . . . . 64
A.3.2.1 Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
A.3.2.2 Tempering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
A.3.2.3 QT treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
A.3.2.4 Transformation in the bainite range . . . . . . 70
A.3.3 Surface layer treatment/Coating
Contents
A.3.4 Side-effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
A.3.4.1 Thermal side-effects . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.3.4.2 Thermochemical side-effects . . . . . . . . . . 74
A.4 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.4.1 Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.4.1.1 Loading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.4.1.2 Behaviour of steel . . . . . . . . . . . . . . . . 82
A.4.1.3 Behaviour of grey cast iron . . . . . . . . . . . 99
A.4.1.4 Behaviour of white cast iron . . . . . . . . . . 102
A.4.2 Tribological properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.4.2.1 Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.4.2.2 Wear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.4.3 Chemical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.4.3.1 Wet corrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.4.3.2 High-temperature corrosion . . . . . . . . . . . 115
A.4.4 Special physical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.4.4.1 Magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.4.4.2 Thermal expansion . . . . . . . . . . . . . . . 120
A.4.4.3 Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
B Ferrous materials and their applications 125
B.1 Materials for general applications . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
B.1.1 Unalloyed structural steels . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
H. Berns
B.1.1.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
B.1.1.2 Grades and applications . . . . . . . . . . . . . 134
B.1.2 Cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
W. Theisen
B.1.2.1 Composition of grey cast iron . . . . . . . . . . 144
B.1.2.2 Cast iron with flake graphite . . . . . . . . . . 147
B.1.2.3 Cast iron with spheroidal graphite . . . . . . . 150
B.1.2.4 Cast iron with vermicular graphite . . . . . . . 152
B.1.2.5 Malleable cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B.1.2.6 Processing and applications of cast iron . . . . 157
B.2 High-strength materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.2.1 Weldable rolled steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
H. Berns
B.2.1.1 Fine-grain steels . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.2.1.2 Multi-phase steels . . . . . . . . . . . . . . . . 168
B.2.1.3 Applications of weldable steels . . . . . . . . . 175
B.2.1.4 Lightweight steels . . . . . . . . . . . . . . . . 182
B.2.1.5 Pearlitic rolled steels . . . . . . . . . . . . . . . 184
B.2.2 Steels treated from the forging temperature . . . . . . . 184
B.2.2.1 Martensitic steels . . . . . . . . . . . . . . . . 185
B.2.2.2 Ferritic-pearlitic steels . . . . . . . . . . . . . . 188
Contents IX
B.2.3 Structural steels for full heat treatment . . . . . . . . . 190
B.2.3.1 QT steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
B.2.3.2 Ultrahigh-strength steels . . . . . . . . . . . . 198
B.2.3.3 Hard steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
B.2.4 Cast iron for full heat treatment . . . . . . . . . . . . . 207
W. Theisen
B.2.4.1 Quenching and tempering . . . . . . . . . . . . 207
B.2.4.2 Transformation in the bainite range / ADI . . 208
B.3 Materials for surface layer treatments . . . . . . . . . . . . . . 217
H. Berns
B.3.1 Materials for surface-hardening . . . . . . . . . . . . . . 217
B.3.1.1 Process engineering aspects of surfacehardening217
B.3.1.2 Materials and the surface layer . . . . . . . . . 220
B.3.1.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
B.3.2 Nitriding steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
B.3.2.1 Process engineering aspects of nitriding . . . . 224
B.3.2.2 Materials and the surface layer . . . . . . . . . 228
B.3.2.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
B.3.3 Case hardening steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
B.3.3.1 Process engineering aspects of case hardening . 234
B.3.3.2 Materials and the surface layer . . . . . . . . . 241
B.3.3.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
B.4 Tools for processingminerals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
W. Theisen
B.4.1 Loading andmaterial concepts . . . . . . . . . . . . . . 251
B.4.1.1 Hard phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
B.4.1.2 Metal matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
B.4.2 Tools made of hot-formed steel . . . . . . . . . . . . . . 256
B.4.3 Cast tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
B.4.3.1 Pearlitic white cast iron . . . . . . . . . . . . . 259
B.4.3.2 Martensitic nickel white cast iron . . . . . . . 260
B.4.3.3 Martensitic chromium white cast iron . . . . . 261
B.4.4 Coated tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
B.4.4.1 Hard-facing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
B.4.4.2 Powder metallurgical coatings . . . . . . . . . 267
B.4.4.3 Composite casting . . . . . . . . . . . . . . . . 269
B.5 Tools for processingmaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
W. Theisen
B.5.1 Cold-work tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
B.5.1.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
B.5.1.2 Coated tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
B.5.1.3 Applications of cold-work tools . . . . . . . . . 288
B.5.2 Tools for processing plastics . . . . . . . . . . . . . . . . 291
B.5.3 Hot-work tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
B.5.3.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
X Contents
B.5.3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
B.5.4 Tools for machining applications . . . . . . . . . . . . . 299
B.5.4.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
B.5.4.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
B.6 Chemically resistant materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
H. Berns
B.6.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
B.6.1.1 Alloying concept . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
B.6.1.2 Matrix properties . . . . . . . . . . . . . . . . 311
B.6.2 Stainless steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
B.6.2.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
B.6.2.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
B.6.3 Heat-resistant steels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
B.6.3.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
B.6.3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
B.6.4 Cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
B.6.4.1 Ferritic cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
B.6.4.2 Austenitic cast iron . . . . . . . . . . . . . . . 342
B.6.4.3 White cast iron / carbide-rich steels . . . . . . 344
B.7 Creep-resistant materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
H. Berns
B.7.1 Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
B.7.1.1 Normalised as well as QT steels . . . . . . . . 352
B.7.1.2 Austenitic steels . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
B.7.1.3 Cast iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
B.7.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
B.7.2.1 Steam power plants . . . . . . . . . . . . . . . 360
B.7.2.2 Gas turbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
B.7.2.3 Estimation of the service life . . . . . . . . . . 363
B.7.2.4 Petrochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
B.7.2.5 Valves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
B.8 Functional materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
H. Berns
B.8.1 Magnetically soft materials . . . . . . . . . . . . . . . . 369
B.8.2 Magnetically hard materials . . . . . . . . . . . . . . . . 373
B.8.3 Non-magnetisable materials . . . . . . . . . . . . . . . . 375
B.8.4 Materials with a special thermal expansion . . . . . . . 376
B.8.5 Materials with a shapememory . . . . . . . . . . . . . . 378
B.8.6 Electrical resistance heating alloys . . . . . . . . . . . . 380
C Appendix 383
C.1 Designation systems for steel and cast iron. . . . . . . . . . . . 383
W. Theisen
C.1.1 Standardisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
C.1.2 Designations for steels and cast steels . . . . . . . . . . 384
Contents XI
Unalloyed steels . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Alloyed steels . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
High-alloy steels . . . . . . . . . . . . . . . . 387
High-speed tool steels . . . . . . . . . . . . . 387
C.1.3 Designation of cast irons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
C.2 A brief discourse on the history of iron . . . . . . . . . . . . . . 392
H. Berns
C.2.1 From a bloomery to a shaft furnace . . . . . . . . . . . 392
C.2.2 The spread of iron-making . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
C.2.3 Cast iron and the fining process . . . . . . . . . . . . . . 395
C.2.4 Mild steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
C.2.5 Ferrous materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
C.3 Bibliography for figures and tables . . . . . . . . . . . . . . . . 400
Keyword Index 403
List of alloying and tramp elements 416
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