铁、碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC等，故铁碳相图含有多个分二元相图。然而，碳的质量分数较大时，铁碳合金表现出很大的脆性，没有多大的使用价值。因此，只有该相图中的Fe-Fe3C二元相图可用于指导碳钢、铸铁的制备。需注意的是Fe-Fe3C相图为非平衡相图。这时因为Fe3C属亚稳相。在一定条件下，Fe3C会分解+C（石墨）。尽管如此，由于各相变化受温度和组成的限制，Fe-Fe3C相图中的各相还是可以被看作是在冷却相对较慢或缓慢升温时的平衡相。图8.66为Fe-Fe3C相图。

图8.66　Fe-Fe3C亚稳相图（引自王昆林，2003）

1.几个重要的线、点及相关组织

HJB为包晶反应线，其所在温度为1495℃。J点为包晶点，包晶反应L+δ—→γ。其中γ相是溶有碳原子的固溶体，即奥氏体（也叫沃斯田铁，austenite，简写为A）。奥氏体是C原子溶于γ-Fe而形成的间隙固溶体，或置换铁原子形成的固溶体，呈fcc结构，溶碳能力较大。其强度高、硬度大，布氏硬度为160～200 HB，而且塑性、韧性也好，但无磁性。它是为纪念冶金学家Roberts-Austen而命名的。

PSK为共析线，S为共析点，P点处碳的质量分数为0.0218%，S点处碳的质量分数为0.77%。共析反应γ—→α+Fe3C。α相是碳原子溶于α-Fe形成的间隙固溶体，呈bcc结构，即铁素体（也叫肥粒铁，ferrite，简写为F）。铁素体的力学性能接近纯铁，其强度和硬度低，布氏硬度为50～80 HB。但铁素体的塑性和韧性良好，适用于压力加工。铁素体还具有铁磁性，所以它也是钢铁材料磁性的来源。

Fe3C也叫渗碳体或雪明碳铁（cementite，简写为Cm），其结构为正交晶体结构。硬度极大，布氏硬度达800 HB左右，而塑性、韧性接近零，性脆。

上述共析产物为α相和Fe3C的机械混合物。这种混合物称为珠光体（也叫波来铁pearlite，简写为P）。珠光体是奥氏体A从高温缓冷而共析出的铁素体F与渗碳体Fe3C交替重叠而成的层状组织。其布氏硬度为180～200 HB，有一定的塑性和韧性。强度比铁素体高，比渗碳体低。而且其强度随其片层间距的减小而提高。它也是一种综合力学性能较好的组织。一定程度上，我们可将珠光体看成是金属（α-Fe）和陶瓷（Fe3C）组成的复合材料。它兼有金属的塑性、韧性和陶瓷的硬度、强度。

ECF为共晶线，C为共晶点，E点处碳的质量分数为2.11%，C点处碳的质量分数为4.30%。共晶反应L—→γ+Fe3C。共晶产物为A和Fe3C的机械混合物，这称为莱氏体（ledeburite）。莱氏体是高碳的铁碳合金在发生共晶反应时形成的。人们将莱氏体分为高温型和低温型。

高温莱氏体（Ld）是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1148℃时，从液相中析出的A和Fe3C呈均匀分布状的机械混合物。在727℃以下，高温莱氏体中的A转变成P。这种由P和Fe3C组成且呈均匀分布的机械混合物为低温莱氏体（L′d）。低温莱氏体也叫室温变态莱氏体或变态莱氏体。其形态为莱氏体形态，只是共晶A转变成了P。

纯莱氏体含有较多的Fe3C（约占64%以上），故性能与Fe3C相近，硬而脆。

2.铁碳合金的分类

根据Fe-Fe3C相图，人们将铁碳合金分为以下几类。

（1）工业纯铁。组成在相图中P点左边的系统，其碳的质量分数wC≤0.0218%。该类系统在固溶线PQ以下会析出三次渗碳体，表示为Fe3CⅢ。

图8.67　缓冷共析钢珠光体显微组织［黑色层片为渗碳体（Fe3C），白色层片为铁素体（α相）］（引自潘金生，2011）

（2）共析钢。组成处于S点的系统，其碳的质量分数wC=0.77%。在727℃时，γ相（奥氏体A）晶粒中会共析出交替排列的层状珠光体组织（F+Fe3C）。在727℃以下，有少量Fe3CⅢ从α相（铁素体F）中析出，但往往无法与珠光体中早先共析出的Fe3C分开。该系统的室温组织为珠光体P，如图8.67所示。经适当的退火处理，片层珠光体中的Fe3C可在α相上呈球状分布。这种珠光体称为球状珠光体。球状珠光体的强度比片层珠光体低，但塑性和韧性好，易于切削加工。

（3）亚共析钢。组成在相图中P、S之间的系统，其碳的质量分数为0.0218%＜wC＜0.77%。其中，当碳的质量分数wC≤0.53%，且温度在1495℃时，有包晶反应发生。而wC＞0.53%的系统无包晶反应发生。这类系统在降温到GS线上时，γ相晶界处开始析出α相。人们称这种α相为初析α相（primaryα）。在727℃时，剩余的γ相晶粒发生共析反应而析出α相和Fe3C（即珠光体P）。图8.68示意了以上情形。

图8.68　亚共析钢显微组织的演变示意图（引自Askeland，2005）

图8.69　亚共析钢显微组织（黑色为珠光体，白色为初析α）（引自Askeland，2005）

在727℃以下，少量的Fe3CⅢ会从初析α相和共析α相中析出，但数量少，可忽略。亚共析钢在室温显微组织为铁素体F（初析α相）和珠光体（F+CⅢ），如图8.69所示。由于初析α相出现在γ相的晶界处而可能将γ相包围，故初析α相可能相互连成一片，因此亚共析钢的室温组织中，连续相往往是初析α相，如图8.69中的白色组织。(www.daowen.com)

（4）过共析钢。组成在相图中S、E之间的系统，其碳的质量分数0.77%＜wC≤2.11%。系统温度在ES线以上时，只有γ相。当温度降到ES线及其以下时，有Fe3C从γ相晶界析出。这种Fe3C称为二次渗碳体，表示为Fe3CⅡ。Fe3CⅡ的析出长大是在γ相的晶界处，这与亚共析钢中的α相在γ相晶界析出相似。因而，Fe3CⅡ也在晶界将γ相包围，而且Fe3CⅡ往往连接成网状。在727℃时，剩余的γ相晶粒同样发生共析反应而析出α相和Fe3C（即珠光体P）。图8.70示意了以上情形。可见，过共析钢的室温组织为二次渗碳体和珠光体（Fe3CⅡ+P），如图8.71所示。

图8.70　过共析钢显微组织的演变示意图（引自Askeland，2005）

图8.71　过共析钢显微组织（灰黑色为珠光体，其周围的白线条为Fe3CⅡ）（引自Askeland，2005）

（5）共晶白口铸铁。组成处于Fe-Fe3C相图中C点的系统，其wC=4.30%。在1148℃时，系统从液相中共晶出Fe3C和γ相。此时的Fe3C称为一次渗碳体Fe3CⅠ。温度在727～1148℃时，γ相晶粒中析出二次渗碳体Fe3CⅡ。当温度降低到727℃时，我们可由杠杆规则算出二次渗碳体Fe3CⅡ的量为

温度在727～1148℃间的组织为高温莱氏体Ld。高温莱氏体由A、Fe3CⅡ和Fe3CⅠ组成。温度降到727℃以下时，高温莱氏体Ld中的A发生共析反应而转变成珠光体。这时的组织称为低温莱氏体。低温莱氏体由P、Fe3CⅡ和Fe3CⅠ组成。图8.72为共晶白口铸铁的室温显微组织。

（6）亚共晶白口铸铁。组成处于Fe-Fe3C相图中E、C之间的系统，2.11%＜wC＜4.30%。这类系统在降温到BC线时，结晶出初晶γ相（或初晶奥氏体）。我们在前面共晶相图中介绍过：若初晶是金属，则其往往以树枝状生长成枝晶。此处的γ相属金属，因而具有树枝状的形貌，其断面为椭圆形、圆形。

温度降到1148℃时，液相发生共晶反应而析出共晶γ相和Fe3C。这些共晶产物围绕在初晶γ相周围。温度低于1148℃时，以上初晶γ相和共晶γ相都会析出Fe3CⅡ。因此，温度在727～1148℃间的组织为初晶γ相及其析出的Fe3CⅡ及共晶部分（即高温莱氏体Ld）。在727℃以下，剩余的初晶γ相转变为珠光体组织，高温莱氏体Ld转变为低温莱氏体，故亚共晶白口铸铁的室温组织为P+Fe3CⅡ+，如图8.73所示。

图8.72　共晶白口铸铁室温莱氏体（白色基体为Fe3C，黑色条状或粒状为珠光体P）（引自王昆林，2003）

图8.73　亚共晶白口铸铁室温显微组织（大块黑色斑状部分为珠光体P，其余为室温莱氏体）（引自蔡珣，2010）

（7）过共晶白口铸铁。组成处于相图中C、F之间的系统，4.30%＜wC＜6.69%。这类系统在降温到CD线时，结晶出初晶Fe3C（一次渗碳体Fe3CⅠ）。Fe3CⅠ具有非金属性质，其外形往往较规则、界面较光滑。

温度降到1148℃时，液相发生共晶反应而析出共晶γ相和Fe3CⅡ。同样，这些共晶产物会围绕在初晶Fe3CⅠ相周围。温度低于1148℃时，共晶部分成为高温莱氏体Ld。在727℃以下，高温莱氏体Ld转变为低温莱氏体，故过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+L′d，如图8.74所示。

以上各系统在不同温度下的平衡组织，如图8.75所示。

Fe-Fe3C相图中的共晶、共析变化与我们在前面介绍的一般共晶系统有相类似的凝固结晶过程。请读者结合前述内容来理解Fe-Fe3C系统中的共晶、共析变化及组织形貌。有关Fe-Fe3C相图中的组织变化，我们将在下一章固态相变中做进一步介绍。

图8.74　过共晶白口铸铁室温显微组织（白色条状物为Fe3CⅠ，其余为室温莱氏体）（引自王昆林，2003）

图8.75　Fe-Fe3C系统各分区组织的示意图（引自蔡珣，2010）

至此，我们用了较大的篇幅介绍了单元和二元系统的相图，尤其是二元相图。但在材料的制备和配方中，往往不只是二元系统，还要引入三元、四元以上的组元。在二元以上的多元相图中，三元以上的相图非常复杂。人们常固定三元以上系统中的一个或多个组元，而将其当作伪三元系统来处理。因而，三元相图用得最多。尽管三元相图比较复杂，但它与二元相图仍有密切的联系。掌握二元相图有利于我们对三元相图的理解。