铁碳合金相图是表示不同成分的铁碳合金在缓慢加热或冷却的情况下，在不同温度时所具有的状态或组织的图形，简称为相图。图6-6示出在工程上具有实际意义的铁碳合金相图的三大组成部分，即包晶、共析和共晶反应部分。该图详细地标出了在平衡状态下，这三种反应的温度、碳含量以及各区的金相组织。w（C）低于0.2％的低碳钢，包晶反应是最重要的。图6-7示出铁碳合金相图中包晶反应的详图。

由图6-6可见，当w（C）在2.11％～6.69％之间，于1147°温度下发生下列共晶反应：

在铸铁或高碳钢中，由奥氏体（或其他转变产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的共晶组织，称为莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温下，莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将727℃以上温度的莱氏体称为高温莱氏体（Ld），在727℃以下温度的莱氏体称为低温莱氏体（L′d）。

包晶反应在1495℃温度下进行，w（C）（极限含量）范围为0.09％～0.53％，其特点是液相和固相同时凝固，形成一种新的固相奥氏体，用符号A表示。其反应式为：

当温度继续下降，单相奥氏体会发生进一步的相变，即所谓共析反应。共析点温度为727℃。其反应式为：

共析反应也称共析转变，其过程是从奥氏体中同时交替析出渗碳体（Fe₃C）和铁素体（F），并形成层状组织，称之为珠光体，用符号P表示，w（C）为0.77％的钢发生完全共析转变，最终形成如图6-8所示的全珠光体组织。

图6-6 铁-碳合金相图

图6-7 铁-碳合金相图中的包晶反应详图

图6-8 珠光体组织的典型形貌

在焊接结构中常用的低碳钢和低合金钢的w（C）一般均不超过0.2％，这些钢在平衡状态下形成的组织为铁素体＋珠光体，其形貌如图6-9所示。

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图6-9 铁素体-珠光体组织形貌

认清钢的共析转变实质，对于正确理解低合金钢的焊接性，具有十分重要的意义。因为大多数低合金钢的组织均属于珠光体型。钢中珠光体的形成包括成核和长大两个阶段。当奥氏体冷却到转变点（Ar₁）以下温度时，经过一段孕育期，开始析出新相。首先如图6-10所示，在奥氏体晶界渗碳体成核。在渗碳体晶核长大过程中，它不断地从周围的奥氏体中吸收碳原子，从而使奥氏体贫碳，这样就在渗碳体两侧的贫碳区形成铁素体晶核。铁素体长大过程中又使其周围的奥氏体富碳。当w（C）达到6.69％时，促使渗碳体成核和长大，这种交替成核和长大的过程一直延续到转变全部结束。

图6-10 珠光体成核和长大过程示意图

珠光体转变可归结为以下三个主要特点：

1）珠光体转变是一种扩散型相变，必须有足够的能量和扩散时间，因此必然存在一个孕育期。

2）随着温度的降低，过冷度增大，能量梯度加大，使孕育期缩短，转变速度加快，成核率提高，渗碳体薄片间距缩短。但当温度进一步降低时，由于扩散速度减慢，而使转变速度降低。

3）珠光体组织的形貌取决于钢的转变温度和冷却速度。冷却速度越快，转变温度越低，珠光体片间距离越小，组织越细密，并由此产生珠光体的变种——索氏体和托氏体。

珠光体、索氏体和托氏体之间的差别可以用片间距和硬度来表征，有关数据见表6-41。

表6-41 珠光体、索氏体、托氏体的片间距和硬度

图6-11示出低合金钢焊接热影响区索氏体和托氏体组织的典型形貌。在各种合金钢中，每种组织组分所占的比例可大致按其碳含量从图6-12的组织相图中确定。

图6-11 索氏体和托氏体组织的典型形貌

图6-12 铁-碳合金组织相图