20
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | | 1 Module 38 Structural steel I Lecture 38 Structural steel I

Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

Module 38

Structural steel I

Lecture 38

Structural steel I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

Keywords : Killed, semi‐killed & rimming steel, properties of structural steel, steel specification, strong 

structural steel, mechanism of strengthening, strain hardening, grain refinement, solid solution 

strengthening, precipitation hardening, cold & hot working 

Introduction  By  now  you  have  a  fairly  good  idea  on  the  basic  concepts  of  physical metallurgy. Next  few 

modules will be devoted to the applications of physical metallurgy. The main  focus will be to 

illustrate with examples how the basic principles that you have learnt so far have been used to 

improve the performance of a variety of engineering materials. Let us begin this module with 

structural steel, the most widely used and abundantly available material of construction. Bulk of 

steel produced all over  the world comes under  this category. These are used as  load bearing 

components. These are available in various forms and shapes like plates, rods, sheet, I section, 

T  section,  channels,  angles,  rods,  wires,  wire  ropes,  bars,  pipes,  and  tubes.  It  is  the main 

material  of  construction  of  buildings,  sheds,  ware  house,  hangers,  bridges,  towers,  power 

plants,  refineries, automobiles,  commercial  vehicles,  ships,  railway  carriages,  storage  vessels, 

pipe lines, and varieties of other applications. The main features or characteristics of structural 

steel are as follows: 

• Cheapest material of construction (next to cement and concrete) • Accounts for 90‐95% of world steel production • %C < 0.25 virtually plain carbon steel • Residual elements present: S, P, Mn & Si • Microstructure consists of mostly ferrite and a little pearlite  • Fairly good strength and ductility • Good hot and cold workability • Poor hardenability • Good weldabilty 

The  last  three decades have  seen  significant  improvement  in  the  strength  and  toughness of 

structural  steel.  This  has  led  to  a  substantial  reduction  in  the weights  of  the  load  bearing 

structures of automobiles  commercial  vehicles and  rolling  stocks. This has made  these more 

fuel  efficient.  This  has  been  achieved  primarily  by  thermo mechanical  processing  with  the 

addition of exceedingly  small amounts of alloying elements having  strong affinity  for carbon. 

The improvement in properties is mainly due to grain refinement. This is the only strengthening 

mechanism  that can  improve both  the  strength and  the  toughness of  steel.  It needs a much 

more precise  control on  the processing parameters during every  stages of  steel making. The 

concurrent development of equipment and  facility  to maintain  these within close  limits were 

also crucial for the successful implementation of such basic concepts into practice. The quality 

of steel depends  to a great extent on  the processing route and  the ability  to control harmful 

elements (S, P, O, N, H, etc) within a specified limit. The bulk of steel today comes from the BF 

Page 3: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

(Blast  Furnace),  BOF  (Basic  Oxygen  Furnace)  and  CC  (Continuous  Casting)  route  or  the  DRI 

(Direct  reduced  Iron),  EAF  (Electric  Arc  Furnace),  and  CC  route.  A major  trend  today  is  the 

increased use of recycled steel scrap. This is often a source of several harmful elements (Sn, Cu, 

etc) which must be removed during steel making. Introduction of large scale vacuum degassing, 

stream degassing,  ladle  treatment and vacuum arc re‐melting has also played a major role  in 

the  improvement  in  the  quality  of  steel  being  produced  today.  Oxygen  is  used  to  remove 

carbon  from molten  iron. A part of  it remains  in solution when the amount of carbon  in  iron 

goes down. Unless  it  is  removed  it would be  impossible  to produce defect  free casting or  to 

make alloy addition. Let us first look at the basic principle involved in the control of the amount 

of oxygen present in steel with respect to ingot route of steel making which is still practiced for 

certain grades of steel.  

 

 Killed, semi killed & rimming steel:  

Oxygen  is  used  to  remove  the  impurities  (unwanted  solutes)  present  in  steel.  The  list  of 

impurities  includes  C,  S,  P,  etc. Once  these  are  removed  to  the  desired  level,  a  part  of  the 

oxygen remains within the molten iron. At a given temperature there is an inverse relationship 

between the concentration of dissolved oxygen  [O] and carbon  [C]  in the molten  iron. This  is 

shown with the help of a set of %C versus %O plots at two different temperatures in a diagram 

in slide1. The solubility product defined as ([C] [O]) is a function of temperature. It decreases as 

the temperature of the molten iron drops as it is cools in an ingot mold. The dissolved oxygen in 

steel makes it brittle. It is removed effectively by adding elements having very strong affinity for 

oxygen  in  the  form of  Ferro‐Alloys.  These  are  known  as de‐oxidizers.    Elements  like  Si or Al 

reacts with dissolved oxygen to form solid particles of oxides. Some of these may float up and 

get removed while the steel is still molten but a substantial part may remain entrapped within 

the dendritic  channels during  solidification. These  are  retained  as  inclusions within  the  steel 

even after it has solidified. Fully de‐oxidized steel is known as killed steel. It solidifies within the 

mold quietly without much agitation. Solidification of steel is accompanied by shrinkage. Every 

attempt  is made  to  impose  the  condition of directional  solidification  so  that  it begins at  the 

bottom  and  the  top  is  the  last  to  solidify.  It  is  often  necessary  to  use  hot  top  or  to  add 

exothermic mixture  at  the  top  of  the  solidifying  steel.  Slide  1  also  shows  the  solidification 

behavior of molten steel with a set of ingots under three different conditions.  

 

Killed  steel:  It  is  characterized by a pronounced  shrinkage  cavity. This  is often  referred  to as 

pipe. A part containing  the pipe has  to be cropped and scrapped. Therefore  the yield  is  low. 

This  is why  ingot  route  for killed steel has now been  replaced by continuous casting  for bulk 

steel production. Killed steel has little dissolved oxygen. It is ductile it has low DBTT. However it 

is not so clean. It has inclusions.  

Page 4: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

 

Rimming  steel: De‐oxidation  can also be carried out by allowing  the  residual carbon  to  react 

with the dissolved oxygen  in molten steel as  it cools within an  ingot mold. The excess carbon 

and oxygen reacts to form bubbles of CO. The bubbles float up due to the difference in density 

causing severe agitation within the molten metal. This is called rimming action. The product is 

known  as  rimming  steel.  The main  characteristic of  this process  is  the  absence of  shrinkage 

cavity as it is offset by the presence of a large number of tiny CO gas bubbles. The pores in the 

ingot get welded during subsequent rolling / hot working. The steel is relatively clean as there 

are  no  solid  oxide  inclusions.  The  yield  too  is  high.  The  rim  of  the  ingot  is  extremely  pure. 

However  rimming  steel  does  have  some  amount  of  dissolved  oxygen.  Therefore  DBTT  of 

rimming steel is higher than that of the killed steel.  

 

Killed, semi killed & rimming steelBulk steel production: impurities in hot metal are

removed by oxidation. It picks up oxygen. The above classification is based on how it is removed.

%C

%O

T

C + O = CO

[C] [O] = k : f(T)As T decreases this rimming

reaction (CO bubbles) occurs.

killed SK rimming

Ingots

  

 

Semi‐killed steel: This  is where de‐oxidation  is partly due to addition of  ferroalloys and partly 

due  to  the  rimming  action.  As  a  result  the  size  of  the  pipe  that  forms  due  to  shrinkage  is 

relatively small. The yield is therefore a little better than that of the killed steel.  

 

Continuous casting (CC):  

Bulk of steel today comes from either BOF/CC or Electric Arc Furnace / CC route. Molten steel 

from  either BOF or  EAF  comes  to  the  casting unit  in  ladle. A number of operations  like de‐

oxidation and alloy additions before casting are done while  it  is  in  the  ladle. Figure 1 gives a 

Slide 1 

Page 5: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

sketch  showing  different  parts  of  a  continuous  casting  unit.  Liquid  steel  from  the  ladle  is 

transferred  into  a  tundish  where  there  is  a  protective  layer  of  slag.  It  prevents  pickup  of 

impurities  from  the  surrounding.  Liquid  steel  from  the  tundish  enters  into  a  water  cooled 

copper mold  through  a  submerged  entry  nozzle.  A  layer  of molten  and  solid  flux  cover  is 

maintained over the liquid within the mold. As solidification begins from the mold wall, excess 

solute  present  in  steel  gets  rejected  into  the  liquid where  some  these might  react  to  form 

inclusions  that  float  up  and  get  captured  by  the  flux.  This  is  how  a  relatively homogeneous 

continuously cast billets or slabs are produced. Although the setup is expensive the cost of steel 

produced  by  this  route  is  significantly  less  because  of  higher  yield,  high  productivity,  lower 

rejection and fewer downstream processing steps. Above all the quality of steel is far superior. 

However it needs more precise control of temperature and composition of liquid steel. Some of 

these are achieved through vacuum degassing and ladle refinement. During this stage some of 

the harmful elements are removed and some useful elements are added. This is often referred 

to  as  secondary  steel making.  It  has  been  covered  well  by  Ahindra  Ghosh  in  his  book  on 

Secondary Steelmaking: Principles & Application, CRC Press (2000). 

 

Properties of structural steel:  

Microstructure of structural steel consists of ferrite and pearlite. Ferrite is soft whereas pearlite is  hard.  The  amount  of  pearlite  increases  as %C  increases.  The  strength  of  structural  steel 

Tundish 

Copper mold 

Billet

Liquid steel 

Protective slag layer 

Submerged entry nozzle Mold flux 

Impurities move 

into the liquid 

Fig  1:  Shows  a  schematic  representation  of  different  parts  of  a  continuous  casting  (CC)  unit. 

Solubility of  impurities  in  solid  is  less.  Therefore  atoms of  such  elements move  into  the  liquid 

during solidification. This helps minimize the level of segregation in the cast billet or slab. 

Page 6: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

depends  on  the  amount  of  pearlite  and  its  lamellar  spacing.  Finer  the  pearlite  higher  is  the strength. Usually  structural  steel  is used  in normalized  condition  (air  cooled).  The degree of fineness is therefore dependent on the section size of the component. Slide 2 shows the effect %C on the mechanical properties of steel. It follows the rule of mixture. Note that the increase in strength  is accompanied by  loss of ductility. The slide also  includes a table giving the  lower and the upper  limits of strength and ductility. Note that P stands for pearlite and CR denotes cooling rate in this slide. 

Effect of % C on properties of + P steel

YS

UTS

BHN

0 0.8% C

%RA

%El

%C 0 0.8

BHN 50 200

UTS 250 750

YS 100 400

%El 40 10

%RA 70 25

Strengthening follows rule of mixture. It increases with increasing % P. CR depends on section size.

Steel specification: 

The  properties  of  steel  depend  primarily  on  its  composition  and  processing.  The  bulk  of 

structural steel are hot rolled and air cooled. Besides C it also has certain amounts of impurities 

(unwanted elements like S & P) and some amount of intentionally added Si (as deoxidizer) and 

Mn (added primarily to reduce the harmful effects of S on the properties of steel). As a result 

the phase diagram and the CCT (or theTTT) diagram of such steel are likely to be different from 

those of the plain carbon steel. With increasing concentration of alloying element %C in Pearlite 

decreases. It means that the effective concentration of C in steel increases as the concentration 

of alloying elements increases. Often to interpret the structure of steel the contribution of each 

alloying  element  is  expressed  in  terms  of  its  carbon  equivalent.  The  expressions  for  carbon 

equivalents  are  derived  empirically.  These  are  extremely  useful  in  predicting  the  structure, 

hardenabilty  and  HAZ  (Heat  Affect  Zone)  of  steel.  One  of  the  earliest  and  still  popular 

expressions  is  the  one  introduced  by  the  International  Institute  of Welding  (IIW).  This  is  as 

follows: 

       (1) 

Slide 2

Page 7: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

It was  found  so useful  that  it was  incorporated either as  it  is or with a  little modification  in 

several  material  standards.  For  example  AWS  (American  Welding  Society)  introduced  an 

additional factor, ‘Si/6’ to include the effect of Si which is invariably present in almost all grades 

of steel.  

Steel specificationISS C07: %C ~ 0.07; C15: %C ~ 0.15; 15Mn1:

0.15C 1Mn; 25Mn1S14 (?)

AISI-SAE

xx25: %C~0.25; xx=10 carbon steel, 11: resulfurized; 13: Mn steel; 40: Mo steel; 41: CrMo; 43:NiCrMo; 51:0.8Cr; 52:1.45Cr; 61: CrV, 92: SiMn: Example: 1025 0.5 C steel; 52100: ball bearing steel 1.45Cr1C

BS old

BS 970

En 24 ~ SAE4340: 1.8Ni0.8Cr0.25Mo0.4C

xxx (A/M/H) xx: A: analysis; M: mechanical property; H: hardenability; last digits: C

UNS Unified numbering system: G: carbon steel; S: stainless; T: tool steel; UNS G 10200 (?)

Although it is possible to make steel of various compositions by a variety of processing routes it 

is  necessary  to  classify  these  into  different  groups  and  grades  for  the  benefit  of  the  steel 

producer and the user. The need was felt ever since the time steel became available in bulk for 

the construction of variety products and structures. One of the earliest and well documented 

systems of describing  the  types of steel was  that developed by AISI  (American  Iron and Steel 

Institute) and SAE (Society of Automobile Engineers). A numerical index system consisting of 4 

digits was  introduced to represent a specific grade of wrought steel. The numbers are used  in 

such a manner that it gives at least a partial description of the composition of steel. Alphabets 

are also used to denote the presence elements like B (Boron) or L (Lead).  

Table 1: Numerical Index System used by AISI / SAE for the designation of wrought steel 

Designation  Type of steel  Remarks 

10xx  Plain carbon steel (S & P < 0.05, Mn < 1.65)  1030 means %C is 0.30 

11xx  Resulphurized carbon steel  S added to improve machinability 

12xx  Resulphurized & rephosphorized steel

13xx  1.75% Mn steel

23xx  3.5%Ni steel  “3” denotes % Ni 

31xx  1.25%Ni 0.65%Cr steel  “1” denotes % Ni 

40xx  0.25%Mo steel  “0” denotes %Mo = 0.25 

Slide 3 

Page 8: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

43xx  1.8%Ni, 0.50‐0.65Cr, 0.25%Mo steel  4340: %C = 0.40 

51xxx  0.8‐1.05%Cr  51110 means %C is 1.1 

61xx  0.8‐0.95Cr, 0.1‐0.15V

81xx  0.3Ni 0.4Cr 0.12Mo

92xx  0.85Ni 2.0Si

93xx  3.25Ni 1.25Cr0.12Mo

Similar designations have evolved ever  since by  several countries and organizations. A  set of 

alphanumeric digits is used to represent different grades of steel. The numbering system often 

provides  some  idea  about  the  composition,  processing  or  the  yield  strength  of  steel.  For 

example  ASTM  A27 U60‐30  represents  casting  grade  of  plain  carbon  steel.  The  number  60 

denotes  its UTS  in  ksi  and 30 =  YS.  The numbering  system does not  give  any  idea  about  its 

composition. You need  to  look at  the  full  specification  to get  the details. However  from  the 

magnitude of YS you get an estimate of its %C. It should be around 0.25 if the same level of YS is 

to be obtained without any expensive heat treatment process. By and large the designation of 

steel has evolved over  the years by  the manufacturers, buyers,  society or countries more by 

convention  rather  than  any  scientific  basis.  Some  of  the  more  popular  and  widely  used 

designation systems for steel and other engineering materials are as follows: 

• ASTM (American Society of Testing Materials)• BS (British  Specification: OLD / NEW)• UN (ISO)• UNS (Unified Numbering System: USA)• DIN (Germany)• AFNOR (France)• UNI (Italy)• JIS (Japan)• GOST (Russia)• IS (India)

The designation systems that are followed by users / buyers and manufacturers are numerous. Therefore it is necessary to have conversion tables from one system to another. An example of the same is given in table2. 

Table 2: An example of equivalent grades of plain carbon steel under different designation system 

ASTM BS UNS DIN AFNOR UNI JIS GOST LC 1015 040A15 G10150 Ck15 XC15 C15 S15C

1020 040A20 G10200 C22 C20 C21 S20C 1050.2 MC 1030 080A30 G10300 C30 XC32 C30 S30C 1050.3

1050 080M50 G10500 C50 XC50 C50 S50C 1050.5 HC 1080 060A78 G10800 Ck75 XC75 C75 1050.8

Page 9: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

Table 3 gives an  idea about the  Indian Standard (IS) specifications used for the designation of different types of steel. This is primarily based on the composition of steel. However apart from composition the properties of steel depend on its section size / shape and the processing route. The details are given in the specification. 

Table 3: An example of the designation system adopted by the Indian Standard (IS) 

Designation  Composition  Type 

C07  0.07C  Plain carbon steel 

55Mn1   0.55C 1Mn   Medium carbon steel 

05Mn75  0.05C 0.75Mn   Low carbon steel 

25Mn1S14   0.25C 1Mn 0.14S   Free cutting steel (good machinability) 

T 118   1.18C   Tool steel 

T105Cr1Mn60   1.05C 1Cr 0.6Mn   Low alloy tool steel 

T75W18Cr4V1   0.75C 18W 4Cr 1V  High speed tool steel 

Strong structural steel: 

The  strength  of  steel  depends  on  its  composition  and  the way  it  has  been  processed.  The 

simplest way to  improve  its strength  is to  increase  its %C. This  is certainly the cheapest of all 

alloying elements used to improve its strength. There are several benefits that may accrue from 

the  use  of  high  strength  structural  steel.  It makes  structures  lighter  resulting  in  significant 

savings  in  the  transportation and  the material handling  costs during  its entire  life  cycle.  If  it 

forms a part of automobile, aircraft, or railway carriage the impact is much more. It significantly 

brings down the running cost by making these more fuel efficient. Ever since the fuel crisis of 

the 1970’s there have been concerted efforts from various sectors to  improve the strength of 

steel without  adversely  affecting other useful properties of  steel.  This  is where  the  growing 

knowledge of physical metallurgy proved to be useful. The four basic methods of improving the 

strength of metals are as follows: 

• Work (Strain) hardening• Grain refinement• Solid solution strengthening• Precipitation hardening

The metals are ductile even  though  their melting points and elastic modulus are high. This  is 

primarily  because  of  the  presence  of  crystal  defects  known  as  dislocations.  It  is  extremely 

difficult to produce dislocation free metal crystals by conventional processing routes. Extremely 

thin  filaments  or  whiskers  of  Fe  are  known  to  have  been  produced  by  vapor  deposition 

technique. The widths of such whiskers are too small to contain a dislocation.  The strength of 

such whiskers is of the order of 10GPa. This is quite close to the theoretical strength of defect 

free crystal. However this cannot be a feasible route for the production of ultra high strength 

steel in tonnage scale. Nevertheless by suitable combination of alloying and thermo‐mechanical 

processing steels having nearly the same orders of strength are routinely being manufactured. 

A few of these are listed below: 

Page 10: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

10 

• Cold drawn 1%C steel ~ 3 GPa• Bainitic steel 0.8C ~ 1.5GPa• Low alloy Martensitic steel: ~ 2GPa

Work (Strain) hardening: Metals we use are mostly polycrystalline. Plastic deformation alters the shape of the grains or 

the individual crystals of which the metal is made. The deformation of individual grains occurs 

by dislocation glide. The distance  through which  it  can move  is governed by  its grain  size.  It 

cannot cross a grain boundary to move over to a neighboring grain. Every new dislocation that 

is  generated  from  the dislocation  sources would  remain within  the  grain.   This  results  in  an 

increase in dislocation density. The increase in shear strength is proportional to the square root 

of dislocation density. Slide 4 illustrates with the help of a set of diagrams the nature of stress 

strain plots of single and polycrystalline metal.  

Strain hardening

III

III

I: Easy glide: interaction with forest dislocation

II: Linear hardening: Duplex slip :Cottrell -Lomer locks & jogs

III: Softening: cross slip

SC PC

0 Gb

Dislocation density increases with cold work

The basic principles were already explained in module 9 & 13. The deformation behavior of SC 

(a single crystal) depending on  its orientation may consist of three distinct stages. The type of 

dislocation  interactions that takes place are  indicated  in the above slide. Recall that denotes resolved shear stress on a slip plane along a specific slip direction and   is the corresponding resolved  shear  strain.  During  stage  I  slip  occurs  only  on  one  slip  system.  Therefore  the 

magnitude of strain hardening is negligible. Significant stain hardening occurs during the stage 

II. This  is because of dislocation glide occurring on multiple  slip planes and  the  formation of

Cottrell  ‐ Lomer  locks and dislocation pileups. This  imposes severe  restriction on  the average 

glide distance of a dislocation leading to significant strain hardening. The stage III sets in when 

the dislocations get stuck up at obstacles (Grain boundary or Cottrell – Lomer lock) move over 

Slide 4

Page 11: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

11 

to the cross slip plane. As a result there  is some amount of strain softening. The shape of the 

stress strain plot is a strong function of the orientation of the crystal with respect to its tensile 

axis. For example the stage I may be totally absent.  

The deformation behavior of a polycrystalline (PC) metal would depend on the orientation and 

the number of individual grains in a unit volume. A typical tensile stress () versus strain () plot is shown  in slide 4. Unlike multiple stages  in the case of SC  it has only two stages: elastic and 

plastic.  This  suggests  that  because  of  the  constraints  imposed  by  the  neighboring  grains 

deformation occurs in PC only when there is slip taking place on multiple slip systems in every 

grain. Note that the strength of PC  increases with  increasing strain beyond  its yield point. The 

yield strength in tension is approximately twice the yield strength in shear. In short the increase 

in strength due to work hardening may be given by: 

∆                     (2) 

The  dislocation  density  in  annealed metal may  be  in  the  range  105  –  106  per mm2.  It may 

increase to around 109 – 1010 per mm2 as a result of cold work. It short the dislocation density 

can  increase by four orders of magnitude due to cold work. This suggests that the  increase  in 

strength due  to strain hardening can be 100  folds. Therefore  in principle  the strength of  low 

carbon  steel  could  be  increased  from  100MPa  to  around  10GPa.  However  this may  be  of 

theoretical interest. Cold work makes steel brittle. Such a material may not be of any use.  

Grain refinement: Grain boundaries act as dislocation barriers. The total plastic deformation () is proportional to dislocation density  (). Recall  that , where  b  is Burgers  vector  and  x  is  the  average distance a dislocation could move by glide. With increasing strain the number of dislocations in 

the  pileups  at  the  grain  boundaries  increases.  When  it  exceeds  a  certain  number,  the 

dislocation at the tip of the pileup overcomes the barrier to allow further deformation to take 

place. Using  this concept  the  following  relation between  the yield strength and grain size  (d) 

can be obtained. This is known as the Hall –Petch equation (see module 13). 

√ (3) 

Thus the increase in yield strength due to grain refinement is given by: 

∆ /√    (4) 

The  effect of  grain  refinement  is  illustrated with  the  help  of  a  set  of  diagrams  in  slide  5. A 

decrease  in grain size  from 1mm to 1m can result  in a six  fold  increase  in  its yield strength. 

This is the only strengthening mechanism that has no adverse effect on ductility and toughness.  

Page 12: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

12 

 

Grain refinement

Because of back stress pile up can

have a limited no. of dislocations

Hall – Petch relation

0

k

d

YS

1/√d100

6001mm 1m

  

 

 

Solid solution strengthening:  

When a dislocation moves in a pure metal it has to overcome only the resistance offered by a 

periodic array of  identical atoms. This  is known as  the  friction  stress  (0).  In a  solid  solution 

however apart from the friction stress it has to overcome the resistance due to the stress fields 

surrounding  the  solute  atoms  present  in  the  matrix.  The  solid  solution  strengthening  is 

therefore primarily due  to  the  interaction between  the  stress  fields of  a  solute  atom  in  the 

lattice with that of a nearby dislocation. The magnitude of the stress field  is a function of the 

difference in the atomic diameter of the matrix and that of the solute. If the solute atoms are 

smaller than that of the solvent, the nature of the stress field around it is tensile. Therefore the 

preferred sites for smaller atoms are the upper half of the slip plane of an edge dislocation. This 

is because the stress field within this region is compressive. The same logic can be extended to 

the  case  of  larger  atoms.  These  are  surrounded  by  compressive  stress  field.  The  preferred 

locations of such atoms are beneath the slip plane. Thus every dislocation in a solid solution is 

likely to have an atmosphere of solute atoms. This is often referred to as Cottrell atmosphere. 

Slide 6 gives a schematic representation of a dislocation lying on a slip plane where there are a 

few  solute  atoms.  The  solute  atoms  can  be  visualized  as  points where  the  dislocations  are 

pinned or anchored. Let F be the force needed to unpin the dislocation from an anchor and d 

be  the  average distance between  two  anchors or  solute  atoms. Higher  the  concentration of 

Slide 5

Page 13: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

13 

solute atoms shorter  is the distance between the anchors.  If xf denotes the number of solute 

atoms / unit area of  the slip plane  then d  is given by1/ . Therefore  the  force needed  to 

unpin a dislocation from an anchor (or a solute atom) is equal to F/d =  . If  denotes the 

applied resolved shear stress, the force per unit  length of the dislocation  is equal to b. Thus:  ∝ . The increase in strength due to the addition of an alloying element is given by 

∆                       (5) 

 

Solid solution strengthening

Solute atoms having different size exerts a force / unit length

F/d = b also d ∞ 1/√xf

20.25

0.83 f f

Fx G x

b Substitutional

atoms

Interstitial atoms produces symmetric distortion in fcc

but asymmetric in bcc. Offers higher effect as it

blocks both edge & screw dislocations

1 2

7.5 f

Gx

  

The proportionality constant k3 in equation 5 depends on the difference between the diameters 

of  the  two  atoms.  The  higher  the  difference  higher  is  the  strengthening.  However  a  large 

difference  in diameter puts a restriction on the amount of solute that can be accommodated 

within  the  lattice.  The  constant  k3  also  depends  on  the  type of  the  solute  element  and  the 

crystal  lattice of  the parent metal.  Interstitial atoms  like C & N  in  iron are more effective  in 

pinning  dislocations.  The  effect  is more  pronounced  in  ferrite  because  it  has  BCC  structure 

where the  interstitial sites are asymmetric. The stress  field surrounding such sites  in a crystal 

has hydrostatic as well as shear stress field. Therefore it can effectively pin both edge and screw 

dislocations.  

 

 

 

 

 

 

Slide 6

Page 14: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

14 

Precipitation strengthening:  

Particle looping vs cutting

Smaller precipitate: cutting more likely

Initial stage: small coherent particles form & f keeps increasing till its limiting

value. Strength increases due to both f & r

Once f reaches its limit particles coarsen & become large enough to allow looping

r

Looping f1/2/r

cutting f1/2 r1/2

CRSS

f

 The  strength  of  steel  can  also  be  significantly  improved  by  precipitation  hardening (strengthening). Precipitates act as obstacles  to  the movement of dislocations. There are  two ways a dislocation  can move beyond a precipitate.  It  could move  through  the precipitate by cutting it into two halves. This mode of movement is called cutting.  Alternatively it may move beyond the precipitate by leaving dislocation loops surrounding the precipitates. This is known as  looping.  The mechanism  of  hardening was  explained  in  detail  in module  30.  The  factors determining the magnitude of strengthening are the volume fraction (f) of the precipitate and its  size  (radius  r).  Slide  7  shows  the  effect  of  f  and  r  on  the  shear  strength  of  steel  in  the presence of precipitates. The figure in this slide suggests that for a given f the stress needed to cut the precipitate  increases with r.  It reaches a peak when  it  intersects the stress at which a loop  can  form  around  the  precipitate.  If  r  increases  beyond  this,  the  strength  decreases.  In order  to  get  the highest  strength  f  should be  as high  as possible  and  r  should be  just  large enough to resist cutting and small enough to allow looping. Thus the increase in strength due to 

precipitation strengthening (ps) is given by:  

∆                       (6) 

 

The resultant strength of steel due to all the four mechanisms is thus given by: 

/√ /                      (5) 

 

You  may  wonder  why  martensitic  transformation  has  not  been  included  as  a  separate 

mechanism of strengthening. This is because martensite owes its strength due to a combination 

of  several  factors. These are  solid  solution  strengthening,  fine grain  size and high dislocation 

density.  

 

Slide 7 

Page 15: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

15 

Strength versus ductility (or toughness):  

Strength vs. ductility

Brittle

ductile

Hardness

YS

TS%El

DBTT

% C, %, % Pearlite

Grain refinement is the only mechanism that improves YS , ductility, toughness & lowers DBTT

  

High strength is not the only criterion for the selection of materials for structural applications. 

Often  there  is  an  inverse  relationship  between  strength  and  ductility.  You may  be  able  to 

achieve  significant  strengthening  in  steel  by  increasing  its  carbon  content,  by  cold work,  by 

giving  special  heat  treatment,  by  precipitation  hardening  or  by  grain  refinement.  However 

strengthening is often associated with loss of ductility. Hard drawn steel wires are brittle. Try to 

bend  it.  It would crack. Slide 8 shows the nature of   ‐  plots of ductile and brittle  forms of 

steel. Elastic modulus of steel is insensitive to processing. The initial parts of the two plots are 

identical.  Ductile  material  is  characterized  by  high  ductility  (for  example  annealed  steel) 

whereas brittle material may  fail much before plastic deformation  sets  in  (for example hard 

drawn  steel  wire).  Structural  steels  normally  are  not  used  in  hardened  and  tempered 

conditions. The most common way of  increasing  its strength  is either by adding carbon or by 

cold work. Slide 8 shows the effect of these on the strength (TS & YS), ductility (%El) and ductile 

to brittle transition temperature (DBTT). As you increase %C in steel the amount of pearlite  in 

the microstructure  increases. Pearlite being a  fine mixture of  soft  ferrite and hard cementite 

has much higher strength than that of ferrite. This is why with increasing %C, the strength (TS & 

YS) of structural steel increases. However %El decreases as YS or TS continues to increase. With 

increasing  strength  the DBTT  too  increases. High DBTT means  the material  is  susceptible  to 

brittle failure. It is certainly undesirable. For most structural applications DBTT should be below 

0°C.   As against these, grain refinement can  improve the strength of steel without any  loss of 

ductility  or  an  increase  in  its  DBTT.  This  is  the  current  trend  in  improving  the  strength  of 

structural steel. This can be achieved by controlled thermo‐mechanical processing.  

 

Slide 8 

Page 16: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

16 

Cold working:  

Cold working & annealing of steelB

HN

Temp0 700

250

Recovery

Re-crystallization

Grain growth

BW CW Recryst FG

Cold working increases S/V. It means more nucleation sites

LC steel mostly

%C

910

Annealing temp

Pearlitic area remains elongated

  

Slide 9 illustrates with the help of a set of sketches how extremely fine grains can be produced 

in  low carbon steel by cold work and annealing. Low carbon steel  is made of mostly grains of 

ferrite.  During  cold  work  the  grains  get  elongated.  The  surface  area  to  volume  ratio  (S/V) 

increases. The dislocation density within  the grains  is much higher. Therefore  the net  stored 

energy per unit volume (Gv) too is much higher. The state of cold work is thermodynamically 

unstable although  it could  remain  in  that state  indefinitely at  room  temperature.  In principle 

cold worked steel could be used as it is unless ductility or toughness is an important criterion of 

acceptance.  The  cold worked  steel  can  be  annealed  at  a  temperature  below  A1  (the  lower 

critical  temperature).  Normal  annealing  time  is  1  hour.  Slide  9  shows  how  the  hardness  is 

expected to change with increasing annealing temperature. There may be an initial increase in 

hardness. This  is due  to  strain ageing. During cold working dislocations move away  from  the 

solute  atmosphere. With  a  little  thermal  activation  during  low  temperature  annealing  the 

solute atoms move towards dislocations and occupy positions of lowest energy. This makes the 

dislocations  immobile.  Therefore  the  strength  increases.  Simultaneously  the  dislocations  too 

rearrange themselves into a low energy configuration. On the whole during the recovery stage 

there may not be any significant loss of hardness. However for grain refinement the next stage 

of annealing called re‐crystallization  is more  important. This  is the stage where the elongated 

grains are replaced by a new set of strain free grains. The  large S/V ratio and high dislocation 

density provides more numbers of favorable sites for the nucleation of such grains. Recall the 

expressions for the critical nucleus size, activation barrier, degree of cold work (stored energy) 

and nucleation rate: 

Slide 9 

Page 17: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

17 

 

∗∆

                    : As cold work (Gv) increases r* decreases                                         (6) 

∆ ∗∆

            : As cold work increases the activation barrier decreases                  (7) 

∝∆ ∗

    : As cold work increases nucleation rate increases                              (8) 

 

The  key  to  get  fine  grain  structure  is  to  have  high  prior  cold  work,  high  S/V  ratio,  high 

nucleation  rate, and a  relatively  lower annealing  temperature. A high annealing  temperature 

may  lead  to  excessive  grain  growth.  Therefore  it  should  be  avoided.  The  annealing  at  a 

temperature below A1 does not have any effect on the pearlitic areas. These too get elongated 

get elongated during cold work. This shape is retained even after annealing. This is because the 

morphology of cementite cannot undergo any change at such a  low temperature and a short 

annealing  time.  The microstructure  of  low  carbon  steel  after  cold work  and  annealing may 

consist of elongated pearlitic regions  in a matrix of ferrite. Such a structure  is  likely to exhibit 

anisotropic  behavior.  The  only  way  to  avoid  this  is  to  anneal  above  A1  or  above  A3 

temperatures. The ferrite grain size after such treatment may not be that fine.  

 

Hot working:  

Deformation  processing  of metals  above  its  re‐crystallization  temperature  is  known  as  hot 

working. The temperature of re‐crystallization depends on  the microstructure, the amount of 

cold wok,  the strain  rate and  the duration of  thermal exposure. By and  large  it  is around 0.5 

times its melting point in °K. The strain rate during hot working is quite high and the time gap 

between different stages of deformation may be short. Therefore hot working of most metals is 

done  at  0.7‐0.9Tm.  The  temperature  at  which  the  last  stage  of  deformation  is  given  is  of 

considerable  importance  in  all  thermo  mechanical  processing.  It  determines  the  final 

microstructure  and  the  properties  of  the  product.  During  hot  working  recovery,  re‐

crystallization and grain growth may occur. These are thermally activated processes. At higher 

temperatures  the  re‐crystallization  time  is  short. The material  softens quickly. Therefore  the 

load on the hot rolling mill  is never too high. However  in order to get a fine grain structure  it 

may  be  necessary  to  increase  the  amount  reduction  per  pass,  lower  the  finish  rolling 

temperature, and adopt a relatively faster cooling so that the grain growth can be suppressed. 

The prior austenite grain size also affects the properties of steel after hot working. If the initial 

grain size is less the final grain size is going to be even finer. If the initial grain size is coarse the 

final grain size is unlikely to be fine. This is illustrated with the help of a set of diagrams in slide 

10.  Fine  austenite  grains  provide more  nucleation  sites.  Therefore  the  final  structure  is  still 

finer. 

 

Page 18: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

18 

Effect of austenite GS on hot worked structure

Coarse grain

Fine grain

CCT diagram

T

time Finer initial GS finer is the final structure

Coarse

Fine

Fine

Finer

  

The grain size of austenite also affects the CCT diagram. The diffusion controlled processes like 

the formation ferrite and pearlite get suppressed. Therefore coarse grain austenite  is  likely to 

have relatively more amount of pearlite.  

 

Summary  In this module we learnt about structural steel and how these are designated. The properties of 

such steel are determined by  its composition and processing. Steel  is primarily an  iron carbon 

alloy. %C in bulk of the structural steel is less than 0.25. Apart from carbon it has Si and Mn. The 

former is added as a de‐oxidizer whereas the latter is added to fix S which is invariably present 

in steel. The  total amount of Si & Mn may not exceed 2%. P  is  the other unwanted element 

present in steel. It makes steel brittle. S & P should be within 0.05%. We also looked at the ways 

the  strength  of  steel  can  be  improved.  Steel  is  amenable  to  all  the  four  mechanisms  of 

strengthening. However,  strengthening due  to  increased  carbon or other alloy addition,  cold 

work or precipitation hardening  is accompanied by  loss of ductility and toughness. Such steel 

may also become prone to brittle failure because all the three strengthening processes increase 

DBTT. Grain  refinement  is  the  only mechanism  that  improves  strength without  any  adverse 

effects on  its ductility and  toughness. We also saw how by deformation processing grain size 

can be controlled. 

 

 

 

 

Slide 10 

Page 19: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

19 

Exercise:  

1. Microstructure  of  a  cold  rolled  annealed mild  steel  sheet  shows  elongated  pearlitic 

region  in equiaxed ferritic matrix.   Comment on the processing route that will give this 

type of microstructure. 

2. Name  three  common  grades  of  steel  produced  by  ingot  route. Which  of  these  has 

higher yield? 

3. Why  does  compressive  stress  develops  at  the  surface  in  a  case  carburized  and 

subsequently case hardened steel? 

4. Why low carbon content is preferred in most structural application? Is high strength not 

a major criterion? 

5. What is the composition of the steel designated as 25Mn1S14? What is the role of sulfur 

in this steel? 

Answer: 1. Elongated  pearlite  is  a  sign  of  cold  work whereas  equiaxed  ferrite means  annealed 

structure.  It  looks  that  the  steel was  cold worked when both pearlite  and  ferrite  got elongated.  Later  on  annealing  just  below  eutectoid  temperature  ferrite  has  re‐crystallized but  pearlite  remains  untransformed.  To modify  pearlite  shape  it must  be heated above the eutectoid temperature.  

2. Steel produced by ingot route is classified as killed, semi‐killed and rimming steel. This is based on the way the dissolved oxygen  in molten steel  is removed. Rimming steel has the highest yield. The oxygen gets removed by the reaction between dissolved carbon and  oxygen with  evolution  of  CO  bubbles  as  the  steel  cools  in mold.  This  gives  the rimming action. Formation of solid crust at the top of the ingot does not allow the gas to go  out.  It  remains  entrapped  as  porosity  and  balance  the  shrinkage  associated with solidification. There  is no shrinkage pipe.   Therefore the entire  ingot without cropping can go for hot rolling. The pores get welded during hot working.  

3. This  is  illustrated with  the help of  following diagram. Here we have high carbon  steel with lower Ms & Mf temperature at the surface whereas core is a low carbon steel with higher transformation temperatures (Ms & Mf). Therefore transformation occurs first in core with expected expansion when  surface  is  still  soft austenite and  therefore  it can allow  the  core  to  expand  (due  to  transformation)  by  plastic  deformation.  When martensite  starts  forming  at  the  surface  accompanied by  volume  expansion  the  core which is now strong will inhibit this. This is why there is a residual compressive stress at the surface.  

  

 

Page 20: Structural steel I - NPTELnptel.ac.in/courses/113105023/Lecture38.pdf · NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | |

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

20 

 

 

                                                                                                                                                                                                           

 

 

 

 

 

 

4. Often  structural  steel  is  supposed  to  have  additional  properties  like  weldability  & 

formability  apart  from  high  strength.  Low  carbon  content  gives  better  formability & 

weldability.  Loss  in  strength  due  to  lower  carbon  is  made  up  by  grain  refinement 

through controlled thermo‐mechanical processing with addition of micro‐alloy elements 

like Nb, V, & Ti. They prevent grain growth during hot rolling.  

 

5. This is a free cutting steel having 0.25% carbon, 1% Mn and 0.14% S. In presence of Mn, 

S is present as MnS inclusion. This improves machinability. It is mostly used for making 

nuts & bolts. If Mn is not present then S forms a low melting eutectic between Fe & FeS. 

This  segregates  along  austenite  grain  boundary  leading  to  hot  shortness.  This  is 

undesirable. This is why in most steel S is less than 0.05%. 

 

 

 

 

Ms1 

Ms2 

Mf2 

Mf1 surface 

core

C S 

tc  ts 

Note  that  transformation would  start at  tc within  core  although  it  is  at  a  higher temperature whereas when transformation starts at surface at ts transformation at core is complete.