非合金钢[（GB／T13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：CFe3、CFe2、FeC等。CFe3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-CFe3相图。相图的两个组元是Fe和CFe3。
3.1Fe-CFe3系合金的组元与基本相
3.l.l组元
⑴纯铁Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/mkg3107.87。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：
δ-Fe（体心）γ-Fe（面心）
α-Fe（体心）
工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度bσ=180～230MPa，屈服强度2.0σ＝100～170MPa，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。⑵CFe3CFe3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。CFe3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度bσ=30MPa，伸长率0=δ。
3.1.2基本相
Fe-CFe3相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相CFe3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。
⑶奥氏体碳溶于γ-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。
3.2Fe-CFe3相图
3.2.1Fe-CFe3相图中各点的温度、含碳量及含义
Fe-CFe3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。
C,％(重量)→
图3.1Fe-CFe3相图
表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义
符号温度（℃）
含碳量[%（质量）]
含义
ABCDEFGHJKNPSQ
153814951148122711481148912149514957271394727727600（室温）
00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)
纯铁的熔点
包晶转变时液态合金的成分共晶点
Fe3C的熔点
碳在γ-Fe中的最大溶解度Fe3C的成分
α-Fe→γ-Fe同素异构转变点碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶点
Fe3C的成分
γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点碳在α-Fe中的最大溶解度共析点
600℃（或室温）时碳在α-Fe中的最大溶解度
3.2.2Fe-CFe33.2.2.1三个重要的特性点
⑴J点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B点成分的L与H点成分的δ
发生包晶反应，生成J点成分的A。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L、δ、A三相共存，反应式为：H
BLδ+JA或
09
.053.0δ+L17.0A。⑵C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和CFe3。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、A、CFe3三相共存，反应式为：CLCFeAE3+或
3
.4LCFeA311.2+。
共晶反应的产物是A与CFe3的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le表示，所以共晶反应式也可表达为：
.4L3.4Le。
莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A（727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。
⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和CFe3。共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、CFe3三相共存，反应式为：S
ACFeFP3+或
77.0ACFeF30218.0+
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号P表示，因而共析反应可简单表示为：
77
.0A77.0P
P中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
P的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：
抗拉强度（bσ）770MPa
延伸率（δ）20～35％冲击韧性（ka）30～402
/cmJ
硬度（HB）1802/mmkgf
3.2.2.2相图中的特性线
相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。
⑴水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。⑵水平线ECF为共晶反应线。碳含量在2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线在热处理中亦称1A线。⑷GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称3A线。⑸ES线是碳在A中的固溶线，通常称cmA线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11％，而在727℃时仅为0.77％，因此碳含量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出CFe3。析出的渗碳体称为二次渗碳体（IICFe3）。cmA线亦是从A中开始析出IICFe3的临界温度线。⑹PQ线是碳在F中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出CFe3。析出的渗碳体称为三次渗碳体（IIICFe3）。PQ线亦为从F中开始析出IIICFe3的临界温度线。
IIICFe3数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出过程。
3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程
根据Fe-CFe3相图，铁碳含金可分为三类：⑴()0.0218%C工业纯铁≤
⑵()()()()≤=≤2.11C0.77过共析钢0.77%C共析钢0.77%C0.0218%亚共析钢2.11%C0.0218%钢
⑶()()()()
=6.69%C4.3%过共晶白口铸铁4.3%C共晶白口铸铁4.3%C2.11%亚共晶白口铸铁6.69%C2.11%白口铸铁下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。
3.3.1工业纯铁
以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。
合金在1点以上为液相L。冷却至稍低于1点时，开始从L中结晶出δ，至2点合金全