钢和铁是工业中应用最广泛的金属材料，它们是由铁和碳两种元素为主组成的合金，因此又称铁碳合金。其中铁元素是最基本的，它在钢中起着决定性作用。因此，认识铁碳合金的本质，首先要从铁开始，然后研究铁和碳的相互作用，以便掌握铁碳合金成分、组织结构与性能之间的关系。

（一）纯铁的同素异构转变

多数金属在凝固后的晶体结构保持不变，但某些金属如铁、锡、钛、锰等，凝固后在不同的温度下有着不同的晶体结构。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的转变称为同素异构转变（或同素异晶转变）。

纯铁的冷却曲线如图6-6所示。由图可知，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe，再继续冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。如再继续冷却，晶格的类型不再发生变化。这些转变可以用下式表示

金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律，转变过程也是由生核和核长大来完成的。

但是，由于同异构转变是在固态下发生的，转变温度较低，所以它与液态金属结晶相比，具有明显的不同之处，其主要差别是：

（1）固态转变时，新相晶核往往在旧相的晶界或某些特定的晶面上生成。

（2）固态转变具有较大的过冷度，这是由于在固态下原子扩散要比液态困难得多，因而转变所需的时间也较长，在快速冷却的条件下，转变就容易被推移到更低的温度下发生。

（3）固态转变往往要产生较大的内应力。这是由于转变时晶格的变化引起了体积的变化。例如：由γ-Fe转变为α-Fe的体积膨胀约为1%，在较低的温度下，金属材料塑性差，少量的体积变化就可能引起明显的内应力，这是造成零件变形甚至开裂的重要原因之一。

铁的同素异构转变具有极其重要的意义。正是由于铁能够发生同素异构转变，生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理来改变其组织和性能。

图6-6　纯铁的冷却曲线

（二）铁碳合金的基本组织

纯铁具有较好的塑性，但其强度较低，所以很少用纯铁制造机械零件，通常都使用铁和碳的合金。在铁碳合金中，根据含碳量的不同，碳可以与铁组成化合物，也可以溶解在铁中形成固溶体，或者形成化合物与固溶体的机械混合物。因此，在铁碳合金中的基本组织有以下几种：

1.铁素体

碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体称铁素体，用符号“F”或“α”表示。它保持α-Fe的体心立方晶格，晶格中空隙分散，最大空隙半径较小，约为3.6×10-9m，而碳原子半径为 7.7×10-9m。按上述情况，α-Fe中几乎不能溶解碳原子，实际上，由于α-Fe中存在着许多晶体缺陷，如位错、空位、晶界等，这些都是碳原子可能存在的地方。所以碳在α-Fe中溶解度很小，在727℃时，最大溶解度为0.0218%，在室温时降为0.006%。由于铁素体含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，以及低的强度和硬度（HB＝50～80）。

工业上的纯铁，含碳量为0.006%～0.0218%，所以几乎全部是铁素体组织。

2.奥氏体

碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号“A”或“γ”表示，仍保持γ-Fe的面心立方晶格，晶格空隙集中，空隙半径较大，约为5.2×10-9m，故奥氏体的溶碳能力较强，在1148℃时溶碳量可超2.11%，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳量为0.77%。

奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，当钢处于奥氏体状态时，能较顺利地进行压力加工。

3.渗碳体

碳在铁中的溶解能力有限，当碳的含量超过铁中的溶解度时，多余的碳就会和铁以一定比例形成化合物Fe3C，称为渗碳体，用符号“Fe3C”表示。渗碳体含碳量为6.69%，具有复杂的晶格。它的硬度很高（HB＝800）、脆性很大，而塑性和韧性几乎等于零。在钢中，渗碳体的数量、形态、大小及分布对钢的性能有很大影响。

4.珠光体

铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号“P”表示。它是奥氏体在冷却过程中，在727℃的恒温下发生共析转变而得到的产物，因此它只存在于727℃以下。

珠光体的平均含碳量为0.77%，由于它是由硬的渗碳体和软的铁素体两相组成的混合物，所以其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，它的强度较高，硬度适中（HB＝180～200），具有一定的塑性。

5.莱氏体

含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148℃时，从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号“Ld”表示。由于奥氏体在727℃时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体所组成。为区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体（用“Ld”表示），727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体（用“L′d”表示）。

莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高（HB＞700），塑性很差。

铁碳合金基本相及组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体是基本相，都是单相组织，而珠光体、莱氏体则是由基本相组成的多相组织。

（三）铁碳合金相图

1.铁碳合金相图

铁碳合金相图是通过实验测定的，是反映铁碳合金在结晶过程中温度、化学成分、组织三者之间关系的图解。如图6-7所示，它是指导热处理和热加工工艺的基本依据，因w（C）大于6.69%的铁碳合金脆性极高，没有实用价值，因此这一相图实际上是由铁和渗碳体两个组元构成的相图。

为了便于学习，将图6-7中实际较少应用的左上角部分和GPQ线以左含碳量极低的铁素体区域加以简化，成为如图6-8所示简化的铁碳合金相图。

图6-7　铁碳合金相图

图6-8　简化的铁碳合金相图上几种典型合金的位置

铁碳合金相图中各主要特性点的含义见表6-1。

表6-1　铁碳合金相图中各主要特性点的含义(www.daowen.com)

相图中主要线的含义：

ACD线——液相线。各种成分的合金在此线以上都处于液体状态，当温度降低到此线时，液态合金开始结晶，AC线开始结晶出奥氏体，CD线开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用“Fe3CⅠ”表示。因此液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。

AECF线——固相线。当温度降至此线时，各种成分的合金均处在固体状态。因此固相线是不同成分铁碳合金结晶终止的温度线。

ECF水平线——共晶线。含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示。其反应式为

此反应称为共晶反应（在相图中一个液相生成两个固相的反应，称为共晶反应）。故高温莱氏体也称共晶体。

含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金冷却到此线时，均会发生共晶反应生成高温莱氏体。

PSK水平线——共析线，亦称A1线。含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线，即在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。其反应式为

此反应称为共析反应（在相图中一个固相生成两个固相的反应，称为共析反应）。故珠光体也称共析体。

含碳量为0.02%～6.69%的合金，冷却到PSK线均会发生共析反应生成珠光体。

GS线，亦称A3线，是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。

ES线，亦称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体自1148℃冷却至727℃时，均会由奥氏体中析出网状的二次渗碳体，用“Fe3CⅡ”表示，实际上ES线是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。

2.典型合金结晶过程分析

铁碳合金可分为工业纯铁、钢和生铁三大类。

（1）工业纯铁：含碳量小于0.02%的铁碳合金。

（2）钢：含碳量为0.02%～2.11%的铁碳合金。根据金相组织不同，钢又可分为以下三种。

①共析钢，含碳量为0.77%；

②亚共析钢，含碳量在0.02%～0.77%之间；

③过共析钢，含碳量在0.77%～2.11%之间。

（3）生铁：含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金，根据金相组织不同，生铁又分为以下三种。

①共晶生铁，含碳量为4.3%；

②亚共晶生铁，含碳量在2.11%～4.3%之间；

③过共晶生铁，含碳量在4.3%～6.69%之间。

下面在选取几种典型合金，来说明结晶过程中的组织变化情况。

（1）共析钢的结晶过程及组织：共析钢的含碳量为0.77%，如图6-8所示的合金Ⅰ，当合金在1点温度以上时，全部为液态。当温度缓降到1点后，开始由液态结晶出奥氏体。在1-2点间随温度降低奥氏体量不断增加，温度降至2点全部变为单一均匀的奥氏体。2-S点间仍为奥氏体。温度降至S点，奥氏体发生共析反应生成珠光体。因此共析钢缓慢冷却时，室温组织是珠光体。图6-9所示为共析钢结晶过程组织转变示意图。

图6-9　共析钢结晶过程组织转变示意图

（2）亚共析钢的结晶过程及组织：以含碳量为0.4%的合金为例，如图6-8所示合金Ⅱ。合金在冷却过程中，3点以前其结晶过程与合金Ⅰ类似。当温度降至3点时，奥氏体开始转变为铁素体，随温度下降，铁素体量逐渐增多，奥氏体量逐渐减少。当温度降至4点时，奥氏体的含碳量升至0.77%则发生共析反应，剩余的奥氏体全部转变为珠光体。4点以下至室温，合金的组织为铁素体和珠光体。所有的亚共析钢，其室温组织都是由铁素体和珠光体组成的，不同之处在于铁素体与珠光体的相对量不同。含碳量越高，组织中珠光体量越多，而铁素体量越少。图6-10所示为亚共析钢结晶过程组织转变示意图。

图6-10　亚共析钢结晶过程组织转变示意图

（3）过共析钢的结晶过程及组织

以含碳量为1.2%的合金为例，如图6-8所示合金Ⅲ。合金开始时全部呈液态。温度降到1点开始从液体中结晶出奥氏体，到2点结晶完毕，合金为单一奥氏体。2-3点间仍为奥氏体。温度降至3点，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。随着温度下降，析出的二次渗碳体不断增加。温度降至4点，即727℃时，奥氏体的含碳量降至0.77%则发生共析反应，奥氏体全部转变为珠光体。4点以下至室温组织为珠光体和网状的二次渗碳体。过共析钢室温下的组织都是由珠光体和网状的二次渗碳体组成的，不同的是含碳量不同的过共析钢，珠光体和二次渗碳体的相对量不同。含碳量越高，组织中的网状二次渗碳体越多且网越宽。图6-11所示为过共析钢结晶过程组织转变示意图。

图6-11　过共析钢结晶过程组织转变示意图

3.铁碳合金成分与组织性能的关系

由前面的分析可知，不同成分的铁碳合金，其室温组织不同。图6-12表示含碳量对钢力学性能的影响。低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高。随着含碳量的增加，钢的组织中铁素体不断减少，而珠光体不断增加，导致强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。当钢的含碳量增加至0.9%时，其组织大多数是珠光体，且有尚未成为网状的渗碳体作为强化相，使其强度达到最大值。随着含碳量的继续增加，钢的组织中网状渗碳体不断增加，使其硬度继续提高，而强度、塑性、韧性一起下降。为了保证钢具有足够的强度、硬度，又有一定的塑性和韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%。

图6-12　含碳量对正火状态碳钢力学性能的影响