1.3 铁碳合金
? 铁碳合金, 以铁为基体，
有不同碳含量的合金，称为
铁碳合金。
铁碳合金是工业上应
用最广泛的合金。
1.3.1 铁碳合金的基本组织
（ 1）,铁碳合金中，固态时可
形成 固溶体、化合物、机械
混合物
（ 2）,铁碳合金的基本组织有
铁素体, 奥氏体, 渗碳体,
珠光体 和 莱氏体 。
（ 3）,纯铁,熔点 1538℃,有
同素异构转变；
碳,在铁碳合金中的存在形
式有 固溶体、金属化合物、
石墨 。
奥氏体
珠光体 莱氏体
渗碳体
铁素体
铁碳合金
1.铁素体
铁素体, 即 α- Fe铁中溶入碳元素构成的固溶体，用
符号 F或 α 表示。它仍保持溶剂 α- Fe的的体心立方
晶格结构。
由于 α- Fe内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极小，
在 727℃ 时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数为
0.02%。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温
时只能溶解微量。
力学性能,强度、硬度低，塑性、韧性好。
2.奥氏体
奥氏体, 即 (γ- Fe)中溶入碳元素构成的固溶体，
用符号 A 或 γ 表示。它仍保持 γ- Fe的晶体结构。
由于 γ- Fe内原子间的空隙比 α- Fe大，故溶碳能力
也较大，在 1148℃ 时的碳的质量分数可达 2.11%。
力学性能,具有一定的强度，塑性很好。
易锻压成形。
3,渗碳体
渗碳体,化学式为 Fe3C的金属化合物。
渗碳体中碳的质量分数为 6.69%,
晶格结构复杂。渗碳体属于正交
晶系，点阵常数为,
a=0.4524nm,b=0.5089nm,
c=0.6743nm。
渗碳体晶胞内含有 12个铁原子和 4
个碳原子，符合 Fe∶C=3∶1 的关系。
力学性能,
硬度很高 (HV=950~1050),
而塑性极差，不能单独应用,
在铁碳合金中起强化作用。
图 1-12 渗碳体晶格
4.珠光体 (金相组织 )
珠光体,铁素体薄层 (片 )与渗碳薄层 (片 )交替重叠组
成的共析组织,用符号 P 表示,其碳的质量分数为
0.77％。 珠光体通常是由奥氏体中同时析出铁
素体和渗碳体形成的。
力学性能,介于铁素体和渗碳体之间,
强度较高,塑性较差。
5.莱氏体 (金相组织 )
莱氏体,即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体 (或
其转变产物 )与渗碳体组成的共晶组织，属于 机
械混合物,其碳的质量分数为 4.3%。
莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，
727℃ 以下由珠光体和渗碳体组成,分别用符号
Ld和 L’d表示。
力学性能,与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。
1.3.2 铁碳相图
铁碳相图,
是用纵坐标表示温度,横坐标表示碳的量分数
的铁碳合金不同相的 平衡图,如图 1 -13 所示。
用途,
铁碳相图是用实验方法作出的,是研究钢和铸
铁的成分、温度与组织之间关系的重要工具，是
选材和制定钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工
工艺的基本依据。
图 1-13 铁碳相图
1.铁碳相图及其各成分组织示意图
相图中的主要
特性点的含义
铁碳合金相图
中用字母标出
的点都表示一
定的特性,故称
为特性点,主要
含义见表
1- 1（下 一幻灯
片）。
相图中主要线
的含义：
A C D 线──液
符
号 温度 ℃
含碳量 %
(重量 ) 特性
A 1538 0 纯铁的熔点
C 1148 4.3 共晶反应点
D 1227 6.69 渗碳体的熔点
E 1148 2.11 碳在 γ -Fe中的最大溶解度
F 1148 6.69 渗碳体
G 912 0 α -Fe与 γ -Fe同素异晶转变点
K 727 6.69 渗碳体
N 1394 0 γ -Fe与 δ -Fe同素异晶转变点
P 727 0.0218 碳在 α -Fe中的最大溶解度
S 727 0.77 共析反应点
Q 600 0.008 600℃ 时碳在 α -Fe中的最大溶度
表 1－ 1 相图中主要特性点的含义
2.铁碳合金的分类及室温组织
（１）工业纯铁
即 w(C) ≤0.0218% 的铁
碳合金。
室温组织,
为铁素体和极少量的三
次渗碳体。
钢 白口铸铁
工业纯铁
铁碳合金
（按质量分数）
(2) 钢
? 钢,
即
0.0218%<w(C)≤2.11%
的铁碳合金。
按碳的质量分数不同，钢
可分为共析钢、亚共析
钢和过共析钢三类。
过共析钢
亚共析钢
共析钢
钢
1)共析钢
即 W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。
2)亚共析钢
即 W(C)<0.77%,室温组织为珠光体和铁素体。
3)过共析钢
即 W(C)>0.77%,室温组织为珠光体和二次渗碳体 。
(3)白口铸铁
即 2.11%<w (C)<6.69%
的铁碳合金。
按碳的质量分数不同,
白口铸铁可分为 共晶白口铸铁,
亚共晶白口铸铁和过共晶白口
铸铁三类。 亚共晶 白口铸铁 过共晶 白口铸铁
共晶
白口铸铁
白口铸铁
1）共晶白口铸铁
W (C)＝ 4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）。
2）亚共晶白口铸铁
W(C)<4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）,珠
光体和二次渗碳体。
3）过共晶白口铸铁
W(C)>4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）和
一次渗碳体。
3.典型铁碳合金的结晶过程
(1)共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ P（ F+Fe3C）
当液态金属冷
却到1 点温度时，
开始结晶出奥氏
体。随着温度的下
降，奥氏体数量不
断增多，剩余的液
体量逐渐减少。
当冷却到2 温
度时，剩余的液体
全部转化为单一均
匀的奥氏体，结晶
完毕。温度在2 与3
之间时，组织不发
生变化。
当冷却到3 温
(2)亚共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ A+F
→ P+F
温度在1 点和
3 点之间的结晶过
程与共析钢相
同。
当冷却到3 温
度时，从奥氏体
中开始析出铁素
体，随着温度的
下降，铁素体量
不断增多，奥氏
体量不断减少。
当冷却到4 点
温度时，剩余的
奥氏体w( C ) 增至
0,7 7 %,达到共
析成分，发生共
析反应，转变为
(3)过共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ A+ Fe3CⅡ
→ P+Fe3C Ⅱ
温度在1 点与3
点之间的转变和
共析钢相同。
当冷却到3 点
温度时，开始沿
奥氏体晶界析出
渗碳体。随着温
度下降，渗碳体
的量不断增多，
剩余奥氏体中的
溶碳量逐渐减
少。
当冷却到4 点
温度时，剩余傲
视体的w (C )减少
至0,7 7 %,达到
共析成分，发生
(4)共晶白口铸铁结晶过程
动画演示
L → Ld（ A+Fe3C）
→ Ld（ A+Fe3C+Fe3CⅡ ）
→ L’d（ P+ Fe3C+Fe3CⅡ ）
当液态合金冷
却到1 点以下温度
时，发生共晶反
应，转变为莱氏
体，随着温度的下
降，碳在澳氏体中
的溶解度不断下
降。由奥氏体中不
断析出渗碳体。
当冷却到2 点
温度时，莱氏体中
奥氏体的含碳量减
少至0,7 7 %,达到
共析成分，发生共
析转变，转变为珠
光体，温度在2 点
以下直至室温，组
(5)亚共晶白口铸铁结晶过程
动画演示
L → L+A
→ Ld+A
→ Ld+A+Fe3CⅡ
→ L’d+P+Fe3CⅡ
当液态合金
冷却到1 点温度
时，开始结晶出
奥氏体。随着温
度的降低，奥氏
体量不断增多，
而剩余的液体量
不断减少。
当冷却到2 点
温度时，剩余的
液体w (C )增至
4,3 %,达到共晶
成分，发生共晶
反应，转变为莱
氏体。温度在2 点
和3 点之间时，奥
氏体中碳的溶解
(6)过共晶白口铸铁 结晶过程
动画演示
L → L+ Fe3CⅠ
→ Ld+ Fe3CⅠ
→ L’d+ Fe3CⅠ
当液态合金冷
却到1 点温度时，
开始结晶出渗碳
体。随着温度的下
降，渗碳体的数量
不断增多，剩余液
体量逐渐减少。
当冷却到2 点
温度时，剩余液体
的w( C )减至
4,3 %,达到共晶
成分，发生共晶反
应，转变为莱氏
体。
温度在2 点和3
点之间时，莱氏体
中的奥氏体由于冷
1.3.3 碳对铁碳合金组织和性能的影响
（ 1） 当 w(c)<0.9%时,随着含碳量的增加，钢的
强度的硬度不断提高，而塑性不断下降，这是
由于钢中珠光体的含量不断增多，铁素体的含
量不断减少所致。
（ 2） 当 w(c)>0.9%时,随着碳含量的不断增加，
钢的硬度仍不断升高，但强度和塑性不断下降，
这是由于网状渗碳体明显形成并不断增多所致。
（ 3） 在白口铸铁部分,随着含碳量增加，硬度不
断增加，强度不断下降，而塑性则几乎为零。
这是由于莱氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断
增多所致。
思考题
1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学
性能。
2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？
3.试分析 W(C)分别为 0.2%,0.77%,1.3%的铁
碳合金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。
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? 铁碳合金, 以铁为基体，
有不同碳含量的合金，称为
铁碳合金。
铁碳合金是工业上应
用最广泛的合金。
1.3.1 铁碳合金的基本组织
（ 1）,铁碳合金中，固态时可
形成 固溶体、化合物、机械
混合物
（ 2）,铁碳合金的基本组织有
铁素体, 奥氏体, 渗碳体,
珠光体 和 莱氏体 。
（ 3）,纯铁,熔点 1538℃,有
同素异构转变；
碳,在铁碳合金中的存在形
式有 固溶体、金属化合物、
石墨 。
奥氏体
珠光体 莱氏体
渗碳体
铁素体
铁碳合金
1.铁素体
铁素体, 即 α- Fe铁中溶入碳元素构成的固溶体，用
符号 F或 α 表示。它仍保持溶剂 α- Fe的的体心立方
晶格结构。
由于 α- Fe内原子间的空隙比较小，故溶碳能力极小，
在 727℃ 时溶碳能力达到最大，其碳的质量分数为
0.02%。随着温度下降，溶碳量逐步减少，在室温
时只能溶解微量。
力学性能,强度、硬度低，塑性、韧性好。
2.奥氏体
奥氏体, 即 (γ- Fe)中溶入碳元素构成的固溶体，
用符号 A 或 γ 表示。它仍保持 γ- Fe的晶体结构。
由于 γ- Fe内原子间的空隙比 α- Fe大，故溶碳能力
也较大，在 1148℃ 时的碳的质量分数可达 2.11%。
力学性能,具有一定的强度，塑性很好。
易锻压成形。
3,渗碳体
渗碳体,化学式为 Fe3C的金属化合物。
渗碳体中碳的质量分数为 6.69%,
晶格结构复杂。渗碳体属于正交
晶系，点阵常数为,
a=0.4524nm,b=0.5089nm,
c=0.6743nm。
渗碳体晶胞内含有 12个铁原子和 4
个碳原子，符合 Fe∶C=3∶1 的关系。
力学性能,
硬度很高 (HV=950~1050),
而塑性极差，不能单独应用,
在铁碳合金中起强化作用。
图 1-12 渗碳体晶格
4.珠光体 (金相组织 )
珠光体,铁素体薄层 (片 )与渗碳薄层 (片 )交替重叠组
成的共析组织,用符号 P 表示,其碳的质量分数为
0.77％。 珠光体通常是由奥氏体中同时析出铁
素体和渗碳体形成的。
力学性能,介于铁素体和渗碳体之间,
强度较高,塑性较差。
5.莱氏体 (金相组织 )
莱氏体,即铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体 (或
其转变产物 )与渗碳体组成的共晶组织，属于 机
械混合物,其碳的质量分数为 4.3%。
莱氏体通常在高温下由奥氏体和渗碳体组成，
727℃ 以下由珠光体和渗碳体组成,分别用符号
Ld和 L’d表示。
力学性能,与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差。
1.3.2 铁碳相图
铁碳相图,
是用纵坐标表示温度,横坐标表示碳的量分数
的铁碳合金不同相的 平衡图,如图 1 -13 所示。
用途,
铁碳相图是用实验方法作出的,是研究钢和铸
铁的成分、温度与组织之间关系的重要工具，是
选材和制定钢铁材料铸造、锻造和热处等热加工
工艺的基本依据。
图 1-13 铁碳相图
1.铁碳相图及其各成分组织示意图
相图中的主要
特性点的含义
铁碳合金相图
中用字母标出
的点都表示一
定的特性,故称
为特性点,主要
含义见表
1- 1（下 一幻灯
片）。
相图中主要线
的含义：
A C D 线──液
符
号 温度 ℃
含碳量 %
(重量 ) 特性
A 1538 0 纯铁的熔点
C 1148 4.3 共晶反应点
D 1227 6.69 渗碳体的熔点
E 1148 2.11 碳在 γ -Fe中的最大溶解度
F 1148 6.69 渗碳体
G 912 0 α -Fe与 γ -Fe同素异晶转变点
K 727 6.69 渗碳体
N 1394 0 γ -Fe与 δ -Fe同素异晶转变点
P 727 0.0218 碳在 α -Fe中的最大溶解度
S 727 0.77 共析反应点
Q 600 0.008 600℃ 时碳在 α -Fe中的最大溶度
表 1－ 1 相图中主要特性点的含义
2.铁碳合金的分类及室温组织
（１）工业纯铁
即 w(C) ≤0.0218% 的铁
碳合金。
室温组织,
为铁素体和极少量的三
次渗碳体。
钢 白口铸铁
工业纯铁
铁碳合金
（按质量分数）
(2) 钢
? 钢,
即
0.0218%<w(C)≤2.11%
的铁碳合金。
按碳的质量分数不同，钢
可分为共析钢、亚共析
钢和过共析钢三类。
过共析钢
亚共析钢
共析钢
钢
1)共析钢
即 W(C)=0.77%,室温组织为珠光体。
2)亚共析钢
即 W(C)<0.77%,室温组织为珠光体和铁素体。
3)过共析钢
即 W(C)>0.77%,室温组织为珠光体和二次渗碳体 。
(3)白口铸铁
即 2.11%<w (C)<6.69%
的铁碳合金。
按碳的质量分数不同,
白口铸铁可分为 共晶白口铸铁,
亚共晶白口铸铁和过共晶白口
铸铁三类。 亚共晶 白口铸铁 过共晶 白口铸铁
共晶
白口铸铁
白口铸铁
1）共晶白口铸铁
W (C)＝ 4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）。
2）亚共晶白口铸铁
W(C)<4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）,珠
光体和二次渗碳体。
3）过共晶白口铸铁
W(C)>4.3%，室温组织为莱氏体（Ｌ ’ d）和
一次渗碳体。
3.典型铁碳合金的结晶过程
(1)共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ P（ F+Fe3C）
当液态金属冷
却到1 点温度时，
开始结晶出奥氏
体。随着温度的下
降，奥氏体数量不
断增多，剩余的液
体量逐渐减少。
当冷却到2 温
度时，剩余的液体
全部转化为单一均
匀的奥氏体，结晶
完毕。温度在2 与3
之间时，组织不发
生变化。
当冷却到3 温
(2)亚共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ A+F
→ P+F
温度在1 点和
3 点之间的结晶过
程与共析钢相
同。
当冷却到3 温
度时，从奥氏体
中开始析出铁素
体，随着温度的
下降，铁素体量
不断增多，奥氏
体量不断减少。
当冷却到4 点
温度时，剩余的
奥氏体w( C ) 增至
0,7 7 %,达到共
析成分，发生共
析反应，转变为
(3)过共析钢结晶过程
动画演示
L → L+A
→ A
→ A+ Fe3CⅡ
→ P+Fe3C Ⅱ
温度在1 点与3
点之间的转变和
共析钢相同。
当冷却到3 点
温度时，开始沿
奥氏体晶界析出
渗碳体。随着温
度下降，渗碳体
的量不断增多，
剩余奥氏体中的
溶碳量逐渐减
少。
当冷却到4 点
温度时，剩余傲
视体的w (C )减少
至0,7 7 %,达到
共析成分，发生
(4)共晶白口铸铁结晶过程
动画演示
L → Ld（ A+Fe3C）
→ Ld（ A+Fe3C+Fe3CⅡ ）
→ L’d（ P+ Fe3C+Fe3CⅡ ）
当液态合金冷
却到1 点以下温度
时，发生共晶反
应，转变为莱氏
体，随着温度的下
降，碳在澳氏体中
的溶解度不断下
降。由奥氏体中不
断析出渗碳体。
当冷却到2 点
温度时，莱氏体中
奥氏体的含碳量减
少至0,7 7 %,达到
共析成分，发生共
析转变，转变为珠
光体，温度在2 点
以下直至室温，组
(5)亚共晶白口铸铁结晶过程
动画演示
L → L+A
→ Ld+A
→ Ld+A+Fe3CⅡ
→ L’d+P+Fe3CⅡ
当液态合金
冷却到1 点温度
时，开始结晶出
奥氏体。随着温
度的降低，奥氏
体量不断增多，
而剩余的液体量
不断减少。
当冷却到2 点
温度时，剩余的
液体w (C )增至
4,3 %,达到共晶
成分，发生共晶
反应，转变为莱
氏体。温度在2 点
和3 点之间时，奥
氏体中碳的溶解
(6)过共晶白口铸铁 结晶过程
动画演示
L → L+ Fe3CⅠ
→ Ld+ Fe3CⅠ
→ L’d+ Fe3CⅠ
当液态合金冷
却到1 点温度时，
开始结晶出渗碳
体。随着温度的下
降，渗碳体的数量
不断增多，剩余液
体量逐渐减少。
当冷却到2 点
温度时，剩余液体
的w( C )减至
4,3 %,达到共晶
成分，发生共晶反
应，转变为莱氏
体。
温度在2 点和3
点之间时，莱氏体
中的奥氏体由于冷
1.3.3 碳对铁碳合金组织和性能的影响
（ 1） 当 w(c)<0.9%时,随着含碳量的增加，钢的
强度的硬度不断提高，而塑性不断下降，这是
由于钢中珠光体的含量不断增多，铁素体的含
量不断减少所致。
（ 2） 当 w(c)>0.9%时,随着碳含量的不断增加，
钢的硬度仍不断升高，但强度和塑性不断下降，
这是由于网状渗碳体明显形成并不断增多所致。
（ 3） 在白口铸铁部分,随着含碳量增加，硬度不
断增加，强度不断下降，而塑性则几乎为零。
这是由于莱氏体或一次渗碳体等脆硬组织不断
增多所致。
思考题
1.比较铁碳合金各种基本组织的晶体结构和力学
性能。
2.碳钢与铸铁在成分与组织上有哪些区别？
3.试分析 W(C)分别为 0.2%,0.77%,1.3%的铁
碳合金自高温缓慢冷却至室温的组织转变过程。
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