铁碳合金是由铁和碳两种元素为主组成的合金，如钢和铸铁都是铁碳合金。铁碳合金相图是研究铁碳合金组织、化学成分、温度关系的重要图形，掌握铁碳合金相图，对了解钢铁的组织、性能以及制订钢铁材料的各种加工工艺有着重要的指导作用。

1.铁碳合金的基本组织

铁碳合金在固态下存在的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。

（1）铁素体（F）。铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F（或α）表示。

（2）奥氏体（A）。奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和（或）其他元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A（或γ）表示。

（3）渗碳体（Fe3C）。渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。

（4）珠光体（P）。珠光体是铁素体（软相）和渗碳体（硬相）组成的机械混合物，常用符号“P”表示。

（5）莱氏体（Ld）。莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和碳化物渗碳体所组成的共晶体。

2.铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示铁碳合金在极缓慢冷却（或加热）条件下，不同化学成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。Fe和渗碳体（Fe3C）是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。生产实践表明，碳的质量分数wC＞5%的铁碳合金，尤其当碳的质量分数增加到wC=6.69%时，铁碳合金几乎全部变为渗碳体（Fe3C）。渗碳体硬而脆，机械加工困难，在机械工程上很少应用。所以，在研究铁碳合金相图时，只需研究wC≤6.69%部分。当wC=6.69%时，铁碳合金全部是亚稳定的渗碳体，渗碳体可看成是铁碳合金的一个独立组元。因此，研究铁碳合金相图，就是研究Fe-Fe3C相图部分，如图3-2所示。

图3-2　简化的铁碳合金相图

铁碳合金相图中主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义（见表3-1）。

表3-1　铁碳合金状态图中的特性点

（续表）

3.铁碳合金状态图中的主要特性线

（1）液相线ACD。铁碳合金在液相线ACD以上是液态（L）。当碳的质量分数wC＜4.3%的铁碳合金冷却到AC线时，开始从合金液中结晶出奥氏体（A）；当碳的质量分数wC＞4.3%的铁碳合金冷却到CD线时，开始从合金液中结晶出渗碳体（称为一次渗碳体），用Fe3CⅠ表示。

（2）固相线AECF。铁碳合金在固相线AECF以下时，铁碳合金均呈固体状态。(www.daowen.com)

（3）共晶线ECF。ECF线是一条水平（恒温）线，称为共晶线。在ECF线上，液态铁碳合金将发生共晶转变，其反应式为

共晶转变形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体（Ld）。碳的质量分数在wC=2.11%～6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。

（4）共析线PSK。PSK线也是一条水平（恒温）线，称为共析线，通常称为A1线。在PSK线上固态奥氏体将发生共析转变，其反应式为

共析转变形成了铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体（P）。碳的质量分数wC＞0.021 8%的铁碳合金均会发生共析转变。

（5）GS线。GS线表示冷却时由奥氏体组织中析出铁素体组织的开始线，通常称为A3线。

（6）ES线。ES线是碳在奥氏体中的溶解度变化曲线，通常称为Acm线。它表示随着温度的降低，奥氏体中碳的质量分数沿着ES线逐渐减少，而多余的碳以渗碳体形式析出，这种渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示，以区别于从液体中直接结晶出来的一次渗碳体（Fe3CⅠ）。

（7）GP线。GP线为冷却时奥氏体组织转变为铁素体的终止线或者加热时铁素体转变为奥氏体的开始线。

（8）PQ线。PQ线是碳在铁素体中的溶解度变化曲线。它表示铁素体随着温度的降低，铁素体中的碳的质量分数沿着PQ线逐渐减少，在727℃时碳在铁素体中的最大溶解度是0.021 8%，冷却时多余的碳以渗碳体形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。

【快速记忆铁碳合金相图的方法】　铁碳合金相图记忆比较难，同学们可按下列口诀记忆和绘制：“天边两条水平线ECF和PSK（一高、一低；一长、一短），飞来两只雁ACD和GSE（一高、一低；一大、一小），雁前两条彩虹线AE和GP（一高、一低；一长、一短），小雁画了一条月牙线PQ。”

4.铁碳合金的分类

铁碳合金按碳的质量分数和室温平衡组织的不同，可分为工业纯铁、钢和白口铸铁（生铁）3类（见表3-2）。

表3-2　铁碳合金的分类

5.碳对铁碳合金组织和性能的影响

碳是决定铁碳合金的组织和性能最主要的元素。不同碳的质量分数的铁碳合金在缓冷条件下，其结晶过程及最终得到的室温组织是不相同的。碳的质量分数与室温组织的关系（见表3-2）。

铁碳合金的平衡组织是由铁素体和渗碳体两相所构成的。其中铁素体是含碳极微的固溶体，是钢中的软韧相，渗碳体是硬而脆的金属化合物，是钢中的强化相。随着钢中碳的质量分数的不断增加，钢中的铁素体量不断减少，渗碳体量不断增多，因此，钢的力学性能将发生明显的变化。

6.铁碳合金相图的应用

铁碳合金相图从客观上反映了钢铁材料的组织随化学成分和温度而变化的规律，因此，它在工程上为零件选材以及制订零件铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺提供了理论依据。例如，从铁碳合金相图中可以看出，共晶成分的铁碳合金不仅其结晶温度最低，而且其温度范围也最小（为零），因此，共晶成分的铁碳合金具有良好的铸造性能，在铸造生产中应用广泛。再如，钢在室温时，其显微组织由铁素体和渗碳体组成，塑性不如单相奥氏体组织好，如果将钢加热到单相奥氏体区，则钢的内部组织就可转变为奥氏体组织，钢的塑性明显提高，便于进行锻压加工。因此，在锻件的实际生产过程中，锻件的坯料一般都加热到奥氏体单相区，这也就是“趁热打铁”的原理。