铁碳合金(iron-carbon alloy)

以铁和碳为组元的二元合金。铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。钢铁材料适用范围广阔的原因，首先在于可用的成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁，在此范围内合金的相结构和微观组织都发生很大的变化；另外，还在于可采用各种热加工工艺，尤其金属热处理技术，大幅度地改变某一成分合金的组织和性能。

铁碳合金中合金相的形成，与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态：912℃以下为体心立方晶体结构：称α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称γ-Fe；1394～1538℃(熔点)，又呈体心立方，称δ-Fe。在液态，在低于7%碳范围，碳和铁可完全互溶；在固态，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁(溶剂)的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体(铁素体)、γ固溶体(奥氏体)和δ固溶体(8铁素体)。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%；而在δ6-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态(石墨)存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C(渗碳体，6.69%C)是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。

工业上获得广泛应用的碳钢和铸铁就是铁碳合金，含碳低于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳高于2.11%的合金称为铸铁。在碳钢和铸铁中除碳之外，还含有硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等一些杂质，这些杂质是在冶炼过程中由生铁、脱氧剂和燃料等带入的。这些杂质对钢铁性能产生影响。

碳钢一般按含碳量、用途、质量和冶炼方法分类。按含碳量可分为：低碳钢(C<0.25%)，中碳钢(0.25%0.6%)；按钢的用途可分为碳素结构钢和碳素工具钢两大类；按钢的质量可分为：普通碳素钢(S≤0.055%，P≤0.45%)，优质碳素钢(S、P≤0.04%)和高级优质碳素钢(s≤0.030%，P≤0.035%)三大类；按冶炼方法可分为沸腾钢和镇静钢、半镇静钢。

根据碳在铸铁中存在的形式不同铸铁可分为：白口铸铁：绝大部分碳以渗碳体形式存在于铸铁中；灰口铸铁：绝大部分碳以片状石墨形式存在；可锻铸铁：由白口铸铁经石墨化退火制成，其中碳以团絮状石墨形式存在；球墨铸铁：在浇注前经球化处理，碳以球状或团状石墨存在。

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