碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。
在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe3C（渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase），而石墨是稳定的相。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe3C相图。
4-1 铁碳合金的组元
一、纯铁
纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。
温度（℃） 时间
图7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化
纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下：
（体心立方）
δ−Fe⇔γ−Fe⇔α−Fe
（面心立方）
（体心立方）
1394OC912OC
温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。
工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：
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拉伸强度σb 18×107~28×107N/m2 屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/m2 延伸率δ 30~50% 断面收缩率ψ 70~80% 冲击值 160~200J/cm2
布氏硬度HB 50~80
二、碳在铁中的固溶体
碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。
碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。
三、铁碳化合物
当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物Fe3C的形式存在。
Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。
4-2 Fe-Fe3C相图分析
Fe-Fe3C相图如图7.2所示。
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图7.2 Fe-Fe3C相图
图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：
(1) 在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：
LB+δH⎯⎯→γJ
转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09~0.53%的铁碳合金中。
(2) 在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：
LC⎯⎯→γE+Fe3C
转变产物是γ和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld
或Le表示。含碳2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。
(3) 在PSK 水平线（727℃）发生共析转变：
γ⎯⎯→αP+Fe3C
转变产物是α和Fe3C的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P表
示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。
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此外，Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线：
(1) GS线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A3温度。 (2) ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。
(3) PQ线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CIII。
表7.1中还列出了相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。
表7.1 Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、碳含量及其含义
符号
温度（℃） 碳含量（wt%）
0
纯铁的熔点
含 义
A 1538 B 1495 C 1148 D 1227 E 1148 F 1148 G 912 H 1495 J 1495 K 727 N 1394 P 727 S 727 Q
600 (室温)
0.53 包晶转变时液态合金的成分
⎯→γE+Fe3C 4.30 共晶点LC⎯
6.69 Fe3C的熔点
2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度 6.69 Fe3C的成分 0
α−Fe⇔γ−Fe同素异晶转变点（A3）
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
⎯→γJ 0.17 包晶点LB+δH⎯
6.69 Fe3C的成分 0
γ−Fe⇔δ−Fe同素异晶转变点（A4）
碳在α-Fe中的最大溶解度 0.0218 ⎯→αP+Fe3C 0.77 共析点（A1）γ⎯
0.0057
0.0008
600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度
4-3 典型铁碳合金的平衡凝固
通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁（cast iron），按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁（white cast iron）。
根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图（图7.3）将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：
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图7.3 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
(1) 工业纯铁（pure iron） <0.0218%C (2) 共析钢（eutectoid steel） 0.77%C (3) 亚共析钢（hypoeutectoid steel） 0.0218~0.77%C (4) 过共析钢（hypereutectoid steel） 0.77~2.11%C (5) 共晶白口铸铁（eutectic white cast iron） 4.30%C
(6) 亚共晶白口铸铁 （hypoeutectic white cast iron） 2.11~4.30%C (7) 过共晶白口铸铁 （hypereutectic white cast iron） 4.30~6.69%C
下面分别对每种类型的合金平衡凝固时的转变过程和室温组织进行分析。
一、工业纯铁
图7.4为工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
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图7.4 工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
合金溶液在1~2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至3点时，开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ。这一转变在4点结束，合金为单相γ。冷至5~6点之间又发生同素异构转变γ→α，6点以下全部为α。冷却至7点时，碳在α中的溶解度达到饱和，在7点以下，将从α中析出三次渗碳体Fe3CIII。因此工业纯铁的室温组织为α+Fe3CIII，如图7.5所示。
图7.5 工业纯铁的室温平衡组织 250×
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二、共析钢
图7.6为共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，在2点凝固完毕，合金为单相γ。冷至3点（727℃）时，在恒温下发生共析转变：
γ⎯⎯→αP+Fe3C
转变产物为珠光体，即P，是α和Fe3C的层片状细密混合物，如图7.7所
示。P中的Fe3C称为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为P，如图7.7所示。 P中的α和Fe3C的相对量可用杠杆定律求得：
α(%)=
6.69−0.77
×100%≈88%
6.69
Fe3C(%)=1−88%=12%
图7.6 共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
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图7.7 共析钢的室温平衡组织1000×
三、亚共析钢
图7.8为亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
图7.8 亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
合金溶液在1~2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至2点（1495℃）时，δ固溶体的含碳量为0.09%，液相的含碳量为0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变：
LB+δH⎯⎯→γJ
由于图7.8中的合金碳含量大于0.17%，所以包晶转变终了以后，还有过剩的液
相存在。在2’~3点之间，液相中继续结晶出γ，所有γ固溶体的成分均沿JE线变化。冷却至3点时，合金全部由γ组成。冷至4点时，开始从γ中析出α，α的含碳量沿GP线变化，而剩余γ的含碳量沿GS线变化。当冷却至5点（727℃）时，剩余γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。在5’
但因其数量少，一般可忽略。 点以下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体Fe3CIII，
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因此亚共析钢的室温组织为P+α,如图7.9所示。由图(a)(b)(c)可见，亚共析钢的碳含量越高，室温组织中的P含量越多。
(a)0.20%C 410× (b)0.45%C 400× (c)0.60%C 300×
图7.9 亚共析钢的室温平衡组织
四、过共析钢
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图7.10为过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
图7.10 过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，在2点凝固完毕，合金为单相γ。冷至3点开始从γ中析出二次渗碳体Fe3CII，直到4点为止。这种先共析
量较多时还在晶内呈针状分布。温度降到4点（727Fe3C多沿γ晶界呈网状分布，
℃）时，剩余γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。
因此过共析钢的室温组织为P+Fe3CII，如图7.11所示。
图7.11 过共析钢的室温平衡组织 500×
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过共析钢的碳含量越高，室温组织中的Fe3CII含量越多。
五、共晶白口铸铁
图7.12为共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
图7.12 共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
图7.13 共晶白口铸铁的室温平衡组织 100×
合金溶液冷却至1点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变：
LC⎯⎯→γE+Fe3C
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转变产物为γ和Fe3C的机械混合物，即莱氏体Ld，其形态为短棒状的γ分布在Fe3C基体上。冷至1点以下，共晶γ中不断析出二次渗碳体Fe3CII，它通常依附于共晶Fe3C上而不能分辨。温度降到2点（727℃）时，共晶γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。最后得到的组织由P分布在共晶Fe3C上所组成，如图7.13所示。这种室温下的组织保留了高温下共晶转变产物Ld的形态特征，但组成相γ已发生了转变，因此称为变态莱氏体，用符号Ld’表示。
因此共晶白口铸铁的室温组织为Ld’，如图7.13所示。
六、亚共晶白口铸铁
图7.14为亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
图7.14 亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，此时液相成分沿BC线变化，而γ固溶体的成分沿JE线变化。冷却至2点（1148℃）时，剩余液相的成分达到共晶成分，在恒温下发生共晶转变，形成Ld。在2点以下，初晶γ和共晶γ
随着Fe3CII的析出，γ固溶体的成分沿ES线降低。中都析出二次渗碳体Fe3CII。
温度降到3点（727℃）时，所有γ都发生共析转变成为珠光体。
因此亚共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+P+Fe3CII，如图7.15所示。
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图7.15 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织100×
七、过共晶白口铸铁
图7.16为过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。
图7.16 过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图
过共晶白口铸铁平衡凝固时，初晶相是Fe3C，其余的转变同共晶合金。过
共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+Fe3CI，如图7.15所示，初晶Fe3CI呈板片状。
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图7.17 过共晶白口铸铁的室温平衡组织 100×
4-4 含碳量对铁碳合金的组织与性能的影响
一般说来，铁碳合金的成分决定其组织，而组织（包括数量、形态和分布等）又决定了铁碳合金的性能。
一、含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响
根据上一节的结晶过程分析并运用杠杆定律计算的结果，可把铁碳合金的成分与组织的关系总结如图7.18。
钢铁分类 组织与相 成分及组织特征 组织组成物相对量 （%） 相组成物相对量 （%）
图7.18 铁碳合金的成分与相组成物及组织组成物之间的关系
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100 F Fe3C 0 100 Fe3CII Fe3CI F P Ld’ 0 0.0218%C 0.77%C 2.11%C 4.3%C 6.69%C 高温固态组织为单相固溶体 组织中有共晶莱氏体 工业纯铁 钢 亚共析钢过共析钢白口铁 亚共晶白口铁 过共晶白口铁
由图7.18可见，随含碳量的增加，合金室温组织变化如下：
P 共析钢（0.77%C） P+α 亚共析钢（<0.77%C） P+Fe3CII 过共析钢（0.77~2.11%C） P+Fe3CII+Ld’ 亚共晶白口铸铁（2.11~4.30%C）Ld’ 共晶白口铸铁（4.30%C） Fe3CI+Ld’ 过共晶白口铸铁（4.30~6.69%C）
当含碳量增高时，组织中不仅Fe3C的数量增加，而且Fe3C的存在形式也在变化，由分布在α的基体内（如P）,变为分布在γ的晶界上（Fe3CII），最后当形成Ld时，Fe3C已作为基体出现。可见，不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，而这也正是决定它们具有不同性能的原因。
二、含碳量对铁碳合金机械性能的影响
由前面的分析可见，铁碳合金的室温平衡组织均由α和Fe3C两相组成，其中α是软韧的相，而Fe3C是硬脆相。它们的机械性能大致如下：
α：
拉伸强度σb 100~240MN/m2 屈服强度σ0.2 100~180MN/m2 延伸率δ 30~50% 断面收缩率ψ 70~80% 布氏硬度HB 50~80
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Fe3C：
布氏硬度HB 800 延伸率δ 0
因此，Fe3C是个强化相。如果合金的基体是α，则若Fe3C的量越多，分布越均匀，材料的强度就越高。但是当这种硬脆的Fe3C相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性就将大大下降。这也正是高碳钢和白口铁脆性高的原因。
图7.19表示了含碳量对碳钢的机械性能的影响。
图7.19 碳钢的机械性能与含碳量的关系
由图7.19可见，含碳量很低的纯铁，由于是由单相α构成，因此其性能就是α的性能，即塑性好，硬度和强度都很低。
亚共析钢的组织是由不同数量的α与P组成的。随着含碳量的增加，组织中P的数量相应地增加，钢的硬度、强度直线上升，而塑性指标（δ、ψ、冲击值）相应降低。
共析钢的缓冷组织是由片层状的P构成。由于Fe3C是一个强化相，它以细片状分散地分布于软韧的α基体上，起到了强化作用，因而使P具有较高的强度和硬度，但塑性较差。
过共析钢缓冷后的组织由P和Fe3CII所组成。随着含碳量的增加，Fe3CII
的数量逐渐增加。当含碳量不超过1.0%时，由于在晶界上析出的Fe3CII一般还不连成网状，故对性能影响不大。当含碳量大于1.0%以后，因Fe3CII数量的增多并呈连续网状分布，故使钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也随之降低。
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冲击值
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