1.4 铁碳合金

铁碳合金是钢铁材料的总称，也是工业上应用最广泛的合金。铁碳合金由铁和碳两种基本元素构成，合金中组织和成分随温度变化的规律是制定各种热加工工艺的依据。为了熟悉和正确使用钢铁材料，必须先了解铁碳合金相图。

1.4.1 铁碳合金的基本组织

铁碳合金中，碳可以溶入铁形成固溶体，超过溶解度后，铁和碳形成化合物。因此，铁碳合金形成以下五种基本组织。

1.铁素体

碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用“F或α”表示。铁素体在727℃时溶碳量最大，为0.0218%，其力学性能与工业纯铁大致相同，即强度、硬度低，塑性好。

2.奥氏体

碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥无体，用“A或γ”表示。奥氏体在1148℃时溶碳量最大，达2.11%，727℃时为0.77%。奥氏体的强度、硬度低，变形抗力小。大多数钢的热压加工都要求在奥氏体区内进行。

3.渗碳体

铁与碳形成的稳定化合物称为渗碳体，用符号Fe3C表示，含碳量为6.69%。渗碳体硬（≈800HBW）而脆，在钢中起强化作用，根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态。

4.珠光体

铁素体与渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用“P”表示，平均含碳量为0.77%。珠光体是在温度降到727℃时由奥氏体转变得到，它的力学性能介于两相之间。

5.莱氏体

在727℃以上，奥氏体与渗碳体组成高温莱氏体，用“Ld”表示；727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称低温莱氏体（），它的平均含碳量为4.30%。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高（≈700HBW），塑性很差。

1.4.2 Fe-Fe3 C相图分析

工业生产中，钢铁材料的含碳量一般不超过5%，因为碳含量超过5%的铁碳合金脆性很大，无实用价值，所以实际研究的铁碳合金是碳含量小于6.69%的Fe-Fe3C部分，称为Fe-Fe3C相图。简化的Fe-Fe3C相图如图1.8所示。

Fe-Fe3C相图中的主要特性点和特性线

Fe-Fe3C相图中的主要特性点和特性线的含义见表1-2和表1-3。

1.4.3 铁碳合金的组织及其对性能的影响

根据Fe-Fe3C相图中含碳量的多少，铁碳合金分为以下三大类。

1.工业纯铁（Wc≤0.0218%）

室温组织为F（忽略Fe3CⅢ）。

2.钢（0.0218%＜Wc≤2.11%）

根据室温组织不同分为：亚共析钢（0.0218%＜wc＜0.77%），室温组织为F和P；共析钢（wc=0.77%），室温组织为P；过共析钢（0.77% ＜wc≤2.11%），室温组织为P和Fe3CⅡ。

3.白口铸铁（2.11%＜Wc＜6.69%）

根据室温组织不同分为：亚共晶白口铸铁（2.11%＜wc＜4.30%），室温组织为P、及Fe3CⅡ；共晶白口铸铁（wc=4.30%），室温组织为；过共晶白口铸铁（4.30%＜wc＜6.69%），室温组织为和Fe3CⅠ。

铁碳合金室温下的组织由F与Fe3C两相构成，其中Fe3C是合金中的强化相。随合金中含碳量的不断增加，平衡组织中F量不断减少，而Fe3C量不断增多，合金的性能也将发生明显变化，随含碳增加，Fe3C量增多，硬度呈直线增大，强度也相应增大，但含碳量超过共析成分后，Fe3CⅡ沿晶界出现，Wc≥0.90%时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度会迅速下降。碳钢的塑性、韧性由F量决定，随含碳量增加，F量不断减少，则塑性、韧性连续下降。

1.4.4 Fe-Fe3C相图的应用

Fe-Fe3C相图在钢铁材料的选用和加工工艺的制订上具有重要的指导意义。

1.在选材方面的应用

根据Fe-Fe3C相图中成分—组织—性能的规律，可以为钢铁材料的选用提供依据。例如，建筑结构和各种型钢选塑性和韧性好的低碳钢，各种机械零件选用强度、塑性和韧性好的中碳钢，各种工具要用硬度高而耐磨的高碳钢等。

2.在铸造方面的应用

由Fe-Fe3C相图可以看出，纯铁和共晶白口铸铁的凝固温度区间最小，流动性好，可以获得致密铸件，所以铸铁的成分总是选在共晶点附近。另外，由相图可以确定合金的浇注温度（浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃）。

3.在锻造、热轧方面的应用

钢在奥氏体状态时，强度低，塑性较好，所以锻造、热轧等选在单相奥氏体区内进行。一般始锻（轧）温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内，可以防止钢材过热和过烧；终锻（轧）温度不能过低，以免产生裂纹。

4.在热处理方面的应用

根据Fe-Fe3C相图，可以制定各种热处理的加热温度。

以上各方面的应用将在后面相关章节中详细阐述。但须注意，Fe-Fe3C相图反映的是铁、碳二元合金平衡条件下的相状态，实际生产中钢铁材料往往含有其他元素，合金的冷却和加热速度也较快，因此不能完全用相图来分析，必须借助其他的知识。