铁碳相图和铁碳合金(一)钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
2金属材料通常分为有色金属和黑色金属两大类：（1）黑色金属。
包括铁，铬，锰三种。
但后两种在实际生产中很少单独使用，故黑色金属泛指铁或以铁为主而形成的物质，如钢和铁。
（2）有色金属。
除黑色金属以外的其他金属称为有色金属，如铜，铝和镁等。
金属材料的化学成份不同，对外表现出来的性能是不同的。
即使是同一种成份的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以导致其性能发生极大的变化。
这说明影响材料的使用性能不仅仅取决于化学成份，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
由于纯金属的强度、硬度一般都较低，而且价格较高，因此在使用上受到很大的限制。
目前工业生产上广泛使用的是合金。
第一节 金属的晶体结构与结晶一、金属的特性与金属键金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属在冷、热加工过程中的许多变化第 章【本章知识点】1．掌握合金的结晶和铁碳合金状态图及其应用。
2．掌握金属的结晶及碳钢、铸铁的特点。
3．了解碳钢、铸铁的分类及应用情况。
【先导案例】试分析下面两张图片是什么零件？分别属于什么类型的钢材？各有什么不同性能？也与晶体结构有关，因此，必须首先了解金属的晶体结构。
1．金属的特性固态金属的主要特性有：（1）良好的导电、导热性；（2）不透明，有金属光泽；（3）具有较高的强度和良好的塑性；（4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升高而增大。
金属的这些特性，都是由金属的原子结构特点及原子之间结合键的性质决定的。
2．金属键金属原子的结构特点是原子的外层电子数目很少，一般只有1～2个，最多不超过4个，而且这些外层电子与原子核的结合力较弱，很容易摆脱原子核的吸引力，成为能绕所有原子核运动的电子，这种电子成为自由电子。
失去外层电子的金属原子成为正离子，这些正离子按一定几何形状，规则排列起来，并在固定位置上作高频率的振动。
自由电子在正离子间自由运动，形成所谓的“电子气”。
正离子与电子气之间依靠静电引力结合起来，这种结合方式称为“金属键”，图2-1是金属键模型的示意图。
钢铁知识必备—铁碳相图铁碳相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，对于轧钢来说也是制定各种轧制温度、加热制度、热处理的物理依据。
一、Fe-Fe3C相图的组元1．Fe组元纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。
工业纯铁的机械性能特点：强度低、硬度低、塑性好。
2．CC在Fe-C合金中的存在形式有三种：①C溶入Fe的不同晶格中形成固溶体；②C与Fe形成金属化合物，渗碳体(Fe3C)；③C以游离态石墨存在于合金中。
渗碳体(cementite)在铁碳合金中是一种亚稳定相，熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
在长时间高温下可分解为铁和石墨：Fe3C→Fe + C石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。
二、Fe-Fe3C相图中的相1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ -Fe中——δ相）C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。
3．α相铁素体F （C固溶到α-Fe中——α相）C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F (Ferrite)或α。
强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形。
C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A (Austenite)或γ。
5．Fe3C铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂斜方晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm (Cementite)。
三、相图分析1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB：这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。
铁碳合金相图教学课程.ppt第一节铁碳相图铁碳合金的各种化合物：一、铁碳合金的组元 1、Fe: 过渡族元素，熔点1538℃，密度 7.84g/cm3。
纯铁有同素异构转变：金属在固态下发生的晶格类型的转变。
2、Fe3C ：是铁和碳组成的复杂结构的间隙化合物，又叫渗碳体。
性能特点是硬而脆。
性能如下：σb=30MPa，δ=0，ψ=0 aK=0，HB=800kgf/mm2 二、铁碳合金中的相 1、液相L。
2、δ相，又叫高温铁素体。
在1495℃时的最大溶碳量为0.09%。
3、α相，又叫铁素体（ F，α）。
在727 ℃时的最大溶碳量为0.0218%。
4、γ相，又叫奥氏体（A，γ）。
1148 ℃时的最大溶碳量为2.11%。
5、 Fe3C相，化合物相，有条状，网状，片状和粒状。
三、相图中重要的点和线包晶反应：LB+δH A J 共晶反应： LC A E +Fe3C 共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，叫莱氏体，以Le表示，莱氏体中的渗碳体叫共晶渗碳体。
共析反应：As F P +Fe3C 共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，叫珠光体，以P表示，珠光体中的渗碳体叫共析渗碳体。
珠光体的强度高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。
GS线是合金冷却时自A 中开始析出F的临界温度线，叫A3线。
ES线是碳在A中的固溶线，叫Acm线。
二次渗碳体：碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃的过程中，从A中析出的渗碳体，用Fe3C Ⅱ表示， Acm 线即为从A中开始析出Fe3C Ⅱ的临界温度线。
PQ线为碳在F中的固溶线。
三次渗碳体：从碳含量大于0.008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，从F中析出的渗碳体，用Fe3C Ⅲ表示， PQ线为从F中开始析出Fe3C Ⅲ的临界温度线。
第二节铁碳合金的平衡结晶过程根据铁-渗碳体相图，铁碳合金可分为三类：（1）工业纯铁：C<0.0218% （2）钢（ 0.0218%< C<=2.11%) 共析钢：C=0.77%，亚共析钢：C<0.77%，过共析钢：C>0.77%。
