第四节 铁碳合金及其平衡状态图
钢铁材料是工业中应用范围最广的合金，是以铁和碳为基本组元的复杂合金。铁碳合金的平衡状态图则是研究铁碳合金的基本工具。为详细分析铁碳合金平衡状态图，首先来了解铁碳合金中的基本相和基本组织。
一、铁碳合金中的基本相与基本组织
铁碳合金中的基本相中有铁素体、奥氏体和渗碳体。
1.铁素体（F）
铁素体是碳溶入α-Fe中形成的一种间隙式固溶体，用字母“F”表示。铁素体能够在室温下稳定存在，晶体结构保持α-Fe的体心立方晶体结构，由于α-Fe的晶格间隙很小，碳在α-Fe中的溶解度很小，室温时为0.0006%～0.0008%,727℃时具有最大溶解度，也不过为0.0218%，所以铁素体和纯铁的性能相差不多，机械性能见表2-1，显微组织如图2-15所示。
2.奥氏体（A）
奥氏体是碳溶入γ-Fe中所形成的一种间隙式固溶体，用字母“A”表示。一般来说，它在高温下才能稳定存在，晶体结构保持γ-Fe的面心立方晶体结构。由于γ-Fe的晶格空隙比α-Fe大，因而碳在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度要大，727℃时为0.77%,1148℃时为2.11%。但因它是一种高温组织，强度和硬度较低，而塑性很高，所以在生产中常把钢加热获得单相奥氏体组织进行塑性变形。奥氏体的性能见表2-1，显微组织如图2-16所示。
3.渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁与碳发生化学反应生成的一种化合物。渗碳体具有固定的化学成分，含碳量为6.69%，为复杂斜方晶体结构，硬度极高，脆性大，塑性和韧性几乎为零，性能见表2-1。
渗碳体在钢中起着主要的强化作用。当它为粗大的片状或
网状时，使合金的脆性增大；当呈细小的球状弥散分布时，不仅能提高合金的硬度和强度，还能减小脆性。
根据渗碳体的来源、结晶形态及在组织中的分布情况的不同，可把它细分为三种：从液态合金中直接结晶得到的渗碳体，称为一次渗碳体(Fe3CⅠ)；冷却时从奥氏体中析出的渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)；从铁素体中析出的渗碳体，称为三次渗碳体(Fe3CⅢ)。但这些渗碳体的化学成分、晶体结构和力学性能完全相同。
图2-15铁素体的显微组织 图2-16奥氏体的显微组织
(二)铁碳合金中的基本组织
铁碳合金中的基本组织除铁素体、奥氏体和渗碳体这三种单相组织之外，还有两种特殊的机械混合物——珠光体和莱氏体，均为多相组织。
1.珠光体（P）
含碳量为0.77%的奥氏体，当温度降至727℃时，同时析出铁素体和渗碳体，形成的机械混合物称为珠光体，以字母“P”表示。这种在一定的温度下，由一种一定成分的固相物质同时析出两种固相物质的反应，称为共析反应。奥氏体的共析反应可用下式表示：
当奥氏体的冷却速度较小时，所得到的珠光体为片状珠光体，即铁素体和渗碳体相间分布的片层状组织，冷却速度越小，珠光体的片层越粗大。珠光体的显微组织如图2-17所示，机械性能介于铁素体和渗碳体之间，见表2-1。
2.莱氏体(Ld)
含碳量为4.3%的液态铁碳合金，当温度降至1148℃时，同时结晶出奥氏体与渗碳体，形成的机械混合物称为高温莱氏体，常用“Ld”表示。这种在一定的温度下从一种一定成分的液相中同时结晶出两种固相物质的反应称为共晶反应。液态铁碳合金的共晶反应可用下式表示：
当温度降至727℃时，高温莱氏体中的奥氏体同样要发生共析反应转变成珠光体，所以在727℃以下高温莱氏体(Ld)就变成珠光体与渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，用“Ld′”表示。低温莱氏体的显微组织是在渗碳体基体上分布的柱状或粒状珠光体，如图2-18所示。
图2-17 珠光体的显微组织 图2-18 莱氏体的显微组织
由于莱氏体内部有大量的硬而脆的渗碳体，所以硬度很高，脆性很大，塑性和韧性几乎为零。莱氏体不能承受塑性变形，是白口铸铁的基本组织。
表2-1铁碳合金基本组织的机械性能
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组织
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表示符号
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HBS
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抗拉强度/MPa
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延伸率/％
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冲击韧性/J/m2
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结合类型
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铁素体
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F
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80
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250
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50
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3×106
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间隙式固溶体
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奥氏体
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A
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-
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-
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-
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-
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间隙式固溶体
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渗碳体
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Fe3C
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800
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30
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≈0
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0
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金属化合物
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珠光体
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P
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160～280
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800～850
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20～25
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3×105
～4×105
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铁素体和渗碳体的片层状机械混合物
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莱氏体
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Ld/ L′d
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＞560
|
-
|
≈0
|
≈0
|
珠光体和渗碳体的机械混合物
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二、铁碳合金平衡状态图
铁碳合金平衡状态图是将各种不同成分的铁碳合金（含碳量小于6.69%），在平衡条件下得到的铁碳合金的化学成分（横坐标）、温度（纵坐标）与组织三者之间的关系图，又称铁碳相图。它不仅可以表明平衡条件下铁碳合金的化学成分、温度与组织之间的关系，而且可以据此推断性能与成分、温度的关系。
图2-19简化的铁碳合金平衡状态图
当铁碳合金中的含碳量大于6.69%时，会出现比Fe3C更加硬脆的Fe2C和FeC。这两种化合物没有使用价值，因而只需要研究含碳量小于6.69%的铁碳合金。由于含碳量为6.69%时合金的组织为100%的Fe3C,故Fe3C可认为是铁碳合金的一种组元，此时铁碳相图也可以认为是Fe-Fe3C状态图，如图2-19所示。
值得说明的是，图2-19是简化的铁碳合金平衡状态图，即将左上角的复杂的包晶相图部分删去，但并不妨碍对铁碳合金的分析和讨论。
1.铁碳相图中的特性点
铁碳相图中各特性点及其意义见表2-2。
表2-2铁碳相图中的各特性点及其
意义
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点的代号
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温度（℃）
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碳浓度（％）
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意义
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A
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1538
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0
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纯铁的熔点或结晶温度
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G
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912
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0
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α-Fe γ-Fe的同素异晶转变点
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P
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727
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0.02
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共析线的左端点，碳在α-Fe中的最大溶解度
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Q
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20
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0.0006～0.0008
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常温下铁素体具有的饱和碳浓度
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S
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727
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0.77
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共析点
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E
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1148
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2.11
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共晶线的左端点，碳在γ-Fe中的最大溶解度
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|
C
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1148
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4.30
|
共晶点
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|
F
|
1148
|
6.69
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共晶线的右端点，渗碳体的含碳量
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K
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727
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6.69
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共析线的右端点
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D
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1227
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6.69
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渗碳体的分解点
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2.铁碳合金图中的特性线
铁碳相图中的线条是若干合金内组织发生转变的临界线，即不同成分合金相变点的连线。各特性线的意义见表2-3。
3.铁碳相图各相区的组织
铁碳相图各相区的组织如图2-19所示。
表2-3铁碳相图中的各特性线的意义
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线条代号
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意义
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ACD
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液相线：冷却时，液态向固态转变的开始温度，ACD线以上为液相区
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AECF
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固相线：冷却时，液态向固态转变的终止温度，AECF线以下为固相区
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ECF
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共晶线：液态合金冷至ECF温度,既1148℃时，发生共晶反应
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PSK
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共析线：奥氏体冷至PSK之温度727℃时，发生共析反应，常用A1表示
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GS
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A F的临界线：奥氏体向铁素体转变开始温度，常用A3表示
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|
GP
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A F的临界线：奥氏体向铁素体转变终止温度
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|
PQ
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碳在铁素体中的溶解度曲线
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ES
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碳在奥氏体中的溶解度曲线，常用Acm表示
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三、典型铁碳合金的组织转变
根据成分，铁碳合金分为工业纯铁、钢和生铁三种，含碳量小于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁；含碳量大于0.02%、小于2.11%的铁碳合金称为钢；含碳量大于2.11%、小于6.69%的铁碳合金称为生铁。工业纯铁、钢和生铁的分类、成分及室温组织如表2-4所示。其中，工业纯铁应用不多，不再作介绍。
表2-4铁碳合金的分类
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分类
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名称
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含碳量/％
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室温组织
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工业纯铁
|
工业纯铁
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<0.02
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F+Fe3CⅢ（极少量)
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钢
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亚共析钢
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0.02～0.77
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F+P
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共析钢
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=0.77
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P
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过共析钢
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0.77～2.11
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P+Fe3CⅡ
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生
铁
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亚共晶生铁
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2.11～4.3
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P+Fe3CⅡ+L′d
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共晶生铁
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4.3
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Ld′
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|
过共晶生铁
|
4.3～6.69
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Fe3CⅠ+ L′d
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1.共析钢的组织转变
图2-20为共析钢的冷却曲线及组织转变示意图。
图2-20共析钢的冷却曲线示意图
处于1点以上温度时共析钢呈液体状态，当降至1点温度时，从钢液中开始结晶出奥氏体（A），随着温度继续降低，结晶出的奥氏体愈来愈多，钢液愈来愈少，直到2点温度时，全部钢液结晶成奥氏体。
由2点温度降至3点温度的冷却过程中组织不变，仍为单相奥氏体。当降至3点（即S点，又称共析点）温度，即共析温度（727℃）时，奥氏体（溶碳量为0.77%）发生共析反应转变成珠光体。由3点温度冷至及组织转变室温，组织不再转变，因此共析钢的室温组织为100%的珠光体。见图2-17。
2.亚共析钢的组织转变
图2-21 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
图2-21为亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图。
3点以上温度的组织转变与共析钢相同。当冷却到3点温度，即与GS线交点温度时，铁发生同素异晶转变，奥氏体开始转变成铁素体。随着温度的不断降低，奥氏体转变成的铁素体愈来愈多。因为铁素体的溶碳量极少（几乎为零），所以剩余奥氏体的溶碳量必然沿GS线不断增高，当温度降到4点温度即共析温度时，剩余奥氏体中的溶碳量增加到S点，即共析成分的含碳量（0.77%），发生共析反应，转变成珠光体，而铁素体不再转变，因此亚共析钢的室温组织是铁素体与珠光体
的机械混合物。其显微组织如图2-22所示。
图2-22 亚共析钢的室温显微组织
在亚共析钢中随着含碳量的增加，组织中的珠光体量也随之增加，而铁素体量随之减少。
3.过共析钢的组织转变
图2-23过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
图2-23为过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图。与亚共析钢组织转变一样，过共析钢在3点以上的组织转变与共析钢相同。当冷至3点以下温度时，碳在奥氏体中的溶解度将沿ES线不断减小，多余的碳从奥氏体中析出，并与铁反应生成二次渗碳(Fe3CⅡ)。当冷至4点即共析温度时，奥氏体的溶碳量降低到S点即共析成分的含碳量（0.77%），奥氏体发生共析反应转变成珠光体，而Fe3CⅡ不再转变，所以过共析钢的室温组织是珠光体与二次渗碳体的机械混合物。由于二次渗碳体呈网状在奥氏体的晶界上析出，因此室温组织为珠光体和网状渗碳体，如图2-24所示。
图2-24 过共析钢的室温显微组织
二次网状渗碳体性脆，割裂了作为基体的珠光体晶粒间的联系，使钢的脆性增大。含碳量愈高二次网状渗碳体愈厚，钢的脆性愈大。因此需要通过热处理改变二次渗碳体的存在形态，达到降低脆性的目的。
4.共晶生铁的组织转变
图2-25为共晶生铁的冷却曲线及组织转变示意图。含碳量为4.3%的铁碳合金从液态冷却时，温度降至1点（C点）即共晶温度(1148℃)时，液态合金发生共晶反应，结晶成高温莱氏体(Ld)。冷至2点，即共析温度时，高温莱氏体中奥氏体的溶碳量同样要沿ES线降至共析成分而发生共析反应转变成珠光体，即在727℃以下转变成为低温莱氏体(Ld′)，因此共晶生铁的室温组织为100%的低温莱氏体，显微组织如图2-18示。
图2-25 共晶生铁的冷却曲线及组织转变示意图
5.亚共晶生铁的组织转变
亚共晶生铁与共晶生铁相比，在冷却过程中多出了先结晶的奥氏体，因此室温组织为P+ Ld′+Fe3CⅡ，显微组织如图2-26所示。
6. 过共晶生铁
过共晶生铁与共晶生铁相比，在冷却过程中多出了先结晶出的一次渗碳体，因此室温组织为Ld′+Fe3CⅠ，显微组织如图2-27所示。
图2-26亚共晶生铁的显微组织图2-27过共晶生铁的显微组织
四、铁碳合金的化学成分、组织和性能的关系
通过对典型铁碳合金组织转变过程分析，明确了铁碳合金的化学成分（即含碳量）与室温组织的关系。钢与生铁的重要区别是钢的室温组织中没有硬而脆的莱氏体。根据以上分析可知，铁碳合金含碳量小于0.02%（工业纯铁）时的室温组织几乎为100%的铁素体（实际上还有极少量的三次渗碳体）；含碳量为0.77%时的室温组织为100%的珠光体；含碳量为4.3%时的室温组织为100%的莱氏体；含碳量为6.69%时的室温组织为100%的一次渗碳体。另外又知道含碳量不大于2.11%时组织中没有莱氏体。据此可以绘出如图2-28示的室温下铁碳合金的化学成分与平衡组织组成的关系图。
铁碳合金的室温基本组织有铁素体、珠光体、低温莱氏体以及一次渗碳体和二次渗碳体（从铁素体中析出的三次渗碳体量很少，忽略不计）。其中，低温莱氏体是珠光体与渗碳体的机械混合物，珠光体又是铁素体与渗碳体的机械混合物，而一次渗碳体和二次渗碳体都是渗碳体，并无本质区别。因此，无论铁碳合金的室温组织如何，都是由铁素体和渗碳体这两种基本相组成的，含碳量为零时有100%的铁素体而渗碳体为零，当含碳量为6.69%时有100%的渗碳体而铁素体为零。并且随含碳量的增加铁素体量不断减少，而渗碳体量不断增加，据此又可绘出如图2-28所示的铁碳合金的化学成分与室温相组成的关系图。
图2-28铁碳合金的成分组织和性能间的关系示意图
分析了铁碳合金的化学成分与相组成的关系，结合前述的铁素体与渗碳体的性能特点，即可认识到化学成分、组织与性能间的关系。随含碳量的不断增加，软质相铁素体的量不断减少而硬质相渗碳体的量不断增多，铁碳合金的硬度随含碳量的增加而提高，塑性和韧性随含碳量的增加而降低。当含碳量小于1%时随含碳量的增加强度不断增大，但当含碳量大于1%后，随含碳量的增加组织中的硬脆相二次网状渗碳体及硬脆组织莱氏体量不断增加，强度反而不断降低，如图2-28所示。因此，常用钢材的含碳量一般不超过1.4%。
五、铁碳合金状态图的应用
铁碳合金状态图是研究钢和铸铁的理论基础，也是制定热加工工艺的主要理论依据。
1.由状态图可知，合金含碳量不同，组织和性能不同，因此可以依据用途和性能要求，选用适当的含碳量的合金。
2.钢加热到奥氏体相区，具有良好的塑性，适于锻造成形，因而可根据状态图确定钢的锻造温度范围。
3.由状态图可以看出生铁比钢的熔点低，尤其是近共晶成分的生铁熔点更低，流动性好，所以常采用接近共晶成分的亚共晶生铁来浇注铸铁件。同时还可根据状态图确定铸钢和铸铁的熔化温度和浇注温度。
4.通过状态图可以掌握各种成分铁碳合金在固态下加热或冷却时的组织转变，这对制定钢的热处理工艺具有重要意义。
思考练习题
1.解释以下基本概念：晶体、晶体结构、过冷度、同素异晶转变、合金、组元、相、组织、固溶强化、共析反应、共晶反应、铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体。
2.简述金属的结晶过程。纯金属与合金的结晶过程有何异同？
3.晶粒度对金属机械性能有何影响，在实际生产中，常采用哪些措施细化晶粒？
4.合金的基本相结构有哪些，合金的相和组织有何区别和联系？
5.说明固溶体和金属化合物的晶体结构特点，并指出二者在性能上的差异。
6.Fe-C合金中的基本相和基本组织有哪些，各具有什么性能特点？
7.简述Fe-C合金相图中各特性点和特性线的含义。
8.试分析含碳量分别为0.4%、1.2%、3.5%的铁碳合金在平衡条件下由高温液态冷却到室温过程中的组织转变。
9.为什么不同含碳量的奥氏体在冷却过程中都会发生共析转变？
10.试述Fe-C合金的化学成分、室温组织与机械性能之间的关系。
11. 说明Fe-C合金相图在工业生产中的应用。
