《工程材料与应用》课件-第3章

3.1合金的结构3.2平衡相图的概念3.3平衡相图的应用3.4铁—碳平衡相图

3.1.1固溶体

合金中的固溶体，是指组成合金的一种金属元素的晶格中包含其他元素的原子而形成的固态相。如α-Fe中溶入碳原子便形成称为铁素体的固溶体。固溶体中含量较多的元素称为溶剂或溶剂金属；含量较少的元素称为溶质或溶质元素。固溶体保持其溶剂金属的晶格形式。

按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。溶质原子置换部分溶剂晶格结点上原子而形成的固溶体称为置换固溶体(见图3-1(a))。溶质原子位于溶剂晶格结点的晶隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体(见图3-1(b))。3.1合 金 的 结 构图3-1固溶体的晶体结构示意图(a)置换固溶体；(b)间隙固溶体溶质原子溶入溶剂后会引起晶格的畸变，如图3-2所示。由于这种畸变会使低抗塑性变形的能力提高，因此，固溶体的强度、硬度都比溶剂金属高。因溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称为固溶强化。溶质元素溶入越多，溶质原子与溶剂原子直径相差越大，若以间隙形式溶入时，固溶强化效果也越大。

固溶强化是使金属材料强化的途径之一。如加入溶质量适当，则可显著提高金属材料的强度和硬度的同时，仍保持相当好的塑性和韧性。图3-2形成固溶体时的晶格畸变3.1.2金属化合物

组成合金的各组元的原子彼此按一定比例和一定位置关系相结合而形成的物质称为金属化合物。金属化合物一般保留金属特性，而其晶格形式与组成此化合物的各组元的晶格形式完全不同。其晶格形式比纯金属更复杂，故其熔点高、硬而脆，如铁和碳的化合物渗碳体(Fe3C)。合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性都会提高，但其塑性和韧性会下降。金属化合物是合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。

值得注意的是，工业用合金的组织仅由化合物一相组成的情况是不存在的。原因是化合物硬度虽高，但脆性太大，无法应用。若化合物以极细小的球粒状均匀而弥散地分布于合金基体组织中，则合金的强度、硬度和耐磨性会大大提高，同时由于化合物的脆性而引起的塑性、韧性降低的不利影响则会大大减小。这种利用细小弥散的稳定质点提高合金强度的方法称为弥散强化。3.1.3机械混合物

组成合金的各组元在固态下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定重量比、以混合方式存在，其结构形式称为机械混合物。机械混合物中各组元的原子仍按各自原来的晶格类型结晶成晶体，在显微镜下可以区别出各组元的晶粒。

机械混合物可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们的混合物。

机械混合物不是单相组织，其性能介于组成相之间，且随组成相的形状、大小、数量及分布而变。如钢中由片状渗碳体分布在铁素体中的机械混合物(珠光体)的硬度及塑性等性能介于铁素体和渗碳体之间。3.2.1平衡相图

由两个或两个以上组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金称为合金系，如Fe-Fe3C系、Al-Si系等。而用来表示合金系中合金状态、温度和成分之间关系的图解称为相图。相图所表示的是温度在十分缓慢变化的条件下，合金组织变化的规律，故又称平衡相图。

相与相之间的转变称为相变。相图可作为制定铸造、压力加工、焊接及热处理工艺的重要依据，也是分析合金组织、研究合金组织及相变化的有效工具。3.2平衡相图的概念3.2.2冷却曲线

对具有固定成分的材料冷却曲线进行观察，可获得材料结晶过程的大量信息。所谓冷却曲线，是以温度作为时间的函数画出的冷却循环曲线，相变点在曲线上以特征点形式

出现。

对于铅—锡合金系，在图3-3中给出了六条不同成分的冷却曲线。曲线Ｉ表示纯铅由液态开始冷却，在液态时观察到一光滑曲线。当达到结晶点a时，开始结晶。由于结晶潜热的放出，出现a-a'温度保持线。从开始，刚生成的固相继续冷却，温度沿一光滑曲线下降。这种曲线的特点是纯金属及具有确定熔点物质的共同特性，如曲线Ⅵ所示的纯锡冷却曲线。图3-3铅-锡合金系的冷却曲线绘制的平衡相图对于61.9%Sn的合金，可观察到一个如图中曲线Ⅳ所确定的熔点。与纯金属的区别在于自合金液中同时结晶出两种成分且结构不同的固相形成的机械混合物，此过程称为共晶反应，即应指出，共晶反应在固定温度发生，且反应中，合金液及结晶后两固相成分固定。

图3-3中曲线Ⅲ是40%Sn合金的冷却曲线。合金液连续冷却到k点，液相中开始形成Sn在Pb中的固溶体(α)的小晶粒，并释放出能量，因而曲线斜率突然减小。这些小晶粒的形成，使得剩下的合金液中Sn浓度增大，从而结晶点下降。为了继续形成新的固相，必须继续冷却。更多的固相不断生成使得剩余合金液中Sn浓度更高，使结晶点进一步下降，因此出现了一凝固温度范围，相应的上特征温度为始结晶温度，下特征温度为终结晶温度。当温度达到k'点时，剩余合金液成分达到E点(61.9%Sn)成分，所以，此时发生共晶反应，剩余合金液结晶成两成分且结构不同的固相形成的机械混合物，冷却曲线上亦可观察到一段等温保持线。随后，固相混合物继续冷却。图3-3中冷却曲线Ⅴ与Ⅲ相似，分析方法亦相同，区别在于先析出的是Pb在Sn中的固溶体β。图3-3中曲线Ⅱ是13%Sn合金的冷却曲线。曲线h“以上与曲线Ⅲ相似，而自h”开始，曲线斜率突然下降，这是由于自h“开始，从α固溶体中析出二次相β固溶体，同时放出能量所引起的。

现在可以把各相变点按冷却曲线上相同的温度转移到温度—成分坐标上，并将物理意义相同的特征点连成曲线，便得到图3-3所示的铅—锡相图。图中A-E-B为所有合金处于液态时的最低温度，叫做液相线；A-C-E-D-B线是所有合金处于固态的最高温度，叫做固相线。液相线和固相线之间，液、固两相共存，称为液—固两相区。3.2.3溶解度的研究

上述冷却曲线的讨论，实际上是在成分固定的条件下，对相图进行垂直观察。那么，如在恒温条件下对相图进行水平观察，又将得到哪些信息呢？

对于不同成分进行等温观察，通常要用ｘ射线技术、显微镜或其他方法对试样进行分析，以确定发生相变时的成分。等温观察由纯金属开始，遇到的第一条线(假定观察温度在固相区内)A-C-F表示Sn在α固溶体中的溶解度，称为固溶线。同理，Pb在β固溶体中的固溶线为B-D-G。可见，在相图两端可以看出一种金属在另一种金属中的溶解度。因此，通过等温观察，可以得到所研究材料系统溶解度的全部信息。3.2.4几个特例

至此，我们已介绍了平衡相图的概念，下面我们将由简到繁地观察几个相图。

1.在液态和固态下完全互溶

如果两种金属在液态及固态均能完全互溶，则其平衡相图较简单。图3-4为Cu-Ni系完全溶解的平衡相图，在温度超过液相线时，不管成分如何，两组元均能形成液态溶液。当温度低于固相线时，两组元在任何成分下亦可形成固溶体。在液相线及固相线之间是液相和固相共存的两相区。这类相图称为匀晶相图。图3-4铜—镍系完全溶解的平衡相图

2.固态部分互溶

许多物质在固态下相互间既不是完全溶解，也不是完全不溶解。这类合金系中，每一组元在另一组元中都存在一定的溶解度或饱和点，且溶解度是温度的函数。图3-3即为这种平衡相图。

由图3-3可知，在固态时，锡在铅中的最大溶解度为19.2%(质量比，后同)，类似地，铅在锡中的最大溶解度为2.5%。如温度从最大溶解度点下降，则固溶体的溶解度通常要下降。因此，如锡在铅中固溶体由183℃开始冷却，则合金由单相区转成两相区，一些富锡的第二相(β)将从固溶体中析出。这一特性可用来控制许多工程合金的性质。3.3.1表象点的研究

相图中每一点代表某成分合金在某温度下所处的状态，称为表象点。利用表象点可获得三个基本信息，下面以匀晶相图为例来进行讨论。

(1)存在的相。找出要研究的表象点在相图中所处的相区，就能判定存在的相。3.3平衡相图的应用

(2)各存在相的成分。若表相点位于单相区，则相的成分即为所研究合金的成分，由表象点直接决定。若表象点位于两相区，则通过该点作一条水平等温连线，该线与相邻两相区边界线的交点的成分即为两相混合物中各相的成分。例如考察图3-5中的o点，通过此点的等温线为aob。点a是等温线与固相线的交点，因此在两相混合物中，固相具有a点的成分；同理，液相具有b点的成分。

(3)各存在相的数量。若表象点位于单相区，则此时所研究的合金全部以此相存在；若表象点位于两相区，则两相混合物中各相所占比例可由杠杆定律确定。杠杆定律把等温线(aob)看做是两端各挂一个相的杠杆，杠杆的支点在表象点o的垂直成分线上。如研究图3-5中o点处存在的两相的比例，则有mαlbo= mLloa式中，mα为固溶体相对量；mL为液相相对量；lbo、loa分别为线段bo、oa的长度。因此，t2温度处，液、固相比例为同样，此温度下液、固两相相对量亦可确定：其中，lba为线段ba的长度。图3-5在液体及固体中都完全互相溶解的两种金属的平衡相图(a)平衡相图；(b)杠杆模型其他方面应用涉及到整个平衡相图或合金的临界点位置。如根据平衡相图，则很容易确定使任一成分合金处于指定相区所需的温度，并可以预测已知材料在缓慢加热或缓慢冷却时可能出现的变化。事实上，现在大家已能回答3.2节开头所提出的大多数问题了。3.3.2合金的结晶

运用上面讨论的方法，现在来追踪图3-5中具有o点的成分的合金的结晶过程就变得比较简单了。当温度为t1时，首先生成具有b0点的化学成分的少量固相，随温度降低，生成的固相增多，而生成的固相成分沿固相线变化，剩余液相成分沿液相线变化，最后在温度t3凝固完毕，得到的单一固相的成分就是合金在o点的成分。由此可见，最后生成的固溶体和最初生成的固溶体成分不同。若冷却足够缓慢(接近平衡条件)，则扩散充分，整个固相物质的成分将趋于均匀一致。成分的差异是通过扩散现象消除的，在高温能量的激发下，成分不均匀处的原子在晶格内部从一个结点迁移到另一个结点。若冷却速度快，扩散条件不满足，则由于最初形成的固溶体和最后形成的固溶体保持成分差异而可能形成不均匀的固溶体，这种现象叫做晶内偏析。3.3.3三相反应

图3-3所示相图的明显特征是有一水平直线，且此线上发生三相平衡反应，简称三相反应，如共晶反应。下面我们进一步根据合金在反应前后的状态及与此水平线相交的是Ｖ形还是倒Ｖ形来确定反应类型。

图3-3所示相图中发生的共晶反应是常见的三相平衡反应之一。现在通过杠杆定律可进一步理解此反应。现考察含锡量为 19.6%～97.5%之间的任何成分合金在温度刚好高于180℃等温线的情况。此时，合金含有的不是富铅固溶体和剩余液相，就是富锡固溶体和剩余液相，且不论合金成分如何，此温度下剩余液相含锡量均为61.9%。如我们只考虑液相，并使它冷却到恰好低于183℃，则含锡61.9%的剩余液相转变为含锡19.2%的富铅固溶体α和含锡97.5%的富锡固溶体β的机械混合物，即发生共晶反应。该水平线称为共晶线。共晶反应前为液相，反应后为两种成分、结构不同的固相，两固相的数量可由杠杆定律确定。相图特征为与水平线相交的是Ｖ形。

在这类合金系中，具有共晶成分的合金熔点最低，故常作铸造合金或钎焊的钎料。表3-1工程合金系几种主要二元合金相图及其转变特征表3-1为工程合金系几种主要二元合金相图及其转变特征，其中常见的几种类型的三相反应，除共晶反应外，还包括如下几种：

(1)包晶反应：由一种固定成分的固相和固定成分的液相同时形成另一种成分固定的新固相。相图特征是倒Ｖ形。

(2)共析反应：一种固定成分的固相生成成分、结构不同的两种新固相。相图特征亦为Ｖ形。共析反应在固态下进行，因此反应速度缓慢。3.3.4金属化合物

合金系可能出现的另一特征是当组元间键合力足够强时，易生成金属化合物。这些化合物是单一固相。若生成的化合物成分固定，则相图中出现一条垂直线，如图4-6所示。

若大量金属化合物存在于合金中或沿晶界分布，则整个合金非常脆，尤以沿晶界分布为甚。若同样的金属化合物能以小质点均匀分布于整个组织中，则可起到弥散强化作用。3.3.5相图与合金性能之间的关系

相图不仅表明了合金成分与组织间的关系，而且反映了不同合金的结晶特点。合金的使用性能取决于它们的成分和组织，而合金的某些工艺性能则取决于其结晶特点。掌握这些规律，便可利用相图大致判断合金的性能，作为配制合金、选择材料和制定工艺的参考。

1．合金的使用性能与相图的关系

二元合金的室温平衡组织主要有两种类型，即固溶体和两相混合物。

图3-6为具有匀晶相图和共晶相图合金的力学性能和物理性能随成分变化的一般规律。图3-6合金使用性能与相图的关系(a)匀晶相图；(b)共晶相图可见，匀晶相图中，固溶体合金的物理性能和力学性能与合金成分间呈曲线关系。固溶体合金与作为溶剂的纯金属相比，其强度、硬度升高，导电率降低，并在某一成分下达到最大值或最小值。但因固溶强化对强度与硬度的提高有限，不能满足工程结构对材料性能的要求，所以工程上经常将固溶体作为合金的基体。

共晶相图中成分在两相区内的合金结晶后，形成两相混合物。两相组织的力学性能和物理性能将随合金成分的改变在两相性能间呈直线变化。当合金形成两相混合物时，合金的性能还与组织的细密程度和形态有关。组织愈细密，对组织敏感的合金性能(如强度、硬度等)提高愈多。如共晶合金，由于形成了细密的共晶组织，故其强度、硬度明显提高，如图3-6(b)中虚线所示。

2．合金的工艺性能与相图的关系

合金的工艺性能与相图也有密切的关系。图 3-7 为合金的铸造性能与相图的关系。流动性和缩孔性能，均以纯组元和共晶成分合金为最好。相图中液相线和固相线之间距离愈小，合金结晶的温度范围愈窄，对浇铸和铸造质量愈有利。当液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大，同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，从而增加缩松的形成。所以，铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金。单相固溶体变形抗力小，不易开裂，有较好的塑性，故适于承受塑性变形。当合金形成两相混合物时，变形能力较差。特别当组织中存在较多化合物时，因化合物很脆，所以不利于变形。

另外，单相固溶体切削加工性差，表现为不易断屑、工件表面粗糙度高等。当合金形成两相混合物时，切削加工性得到改善。图3-7合金铸造性能与相图的关系(a)匀晶相图；(b)共晶相图由于主要由铁和碳组成的钢和铸铁是非常重要的工程材料，因此，铁—碳平衡相图是机械生产中重要的工具。实际上，最常用的是Fe-Fe3C平衡相图(见图3-8)，因为稳定金属碳化物Fe3C限定了铁—碳平衡相图的有用范围到含碳量6.67%处为止。3.4铁—碳平衡相图图3-8Fe-Fe3C相图及典型合金在相图中的位置3.4.1铁碳合金的基本相

1．铁素体

碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。它的代表符号是F或α。由于α-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。

随着温度的下降，溶碳量逐渐减小，在600℃时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量为0.0008%。因此，铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。其性能指标几乎和纯铁相同。

铁素体的显微组织与工业纯铁近似，如图1-9所示。

碳在δ-Fe中形成的固溶体称为δ固溶体，以δ表示，它是高温下的铁素体。在1495℃时，碳在δ-Fe中的最大溶解度为0.09%。

2．奥氏体

碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A或γ表示。由于γ-Fe是面心立方晶格结构，它的有效晶格间隙比α-Fe的大，故溶碳能力较强，在1148℃时溶碳能力最强，可达2.11%。随着温度的下降，溶碳能力逐渐减小，在727℃时溶碳量为0.77%。

奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关。一般来说，奥氏体的硬度为170～220HBS，伸长率A为40%～50%。因此奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于塑性成型。

奥氏体存在于727℃以上的高温范围内，其显微组织如图3-9所示。图3-9奥氏体显微组织

3.渗碳体

渗碳体是铁和碳的金属化合物(Fe3C)，其含碳量为6.69%。

由于碳在α-Fe中的溶解度很小，因此在常温下，碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在的。

渗碳体的熔点约为1227℃，其硬度很高(HV>800)，而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状、数量与分布等对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定相，在一定的条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳：

Fe3C→3Fe + C(石墨)3.4.2Fe-Fe3C相图中点和线的意义

为了便于学习和掌握Fe-Fe3C相图，表3-2和表3-3分别归纳出了相图中各重要特性点及特性线的含义。表3-2Fe–Fe3C相图中特性点的物理意义表3-3Fe-Fe3C相图中重要特性线的含义3.4.3单相区

为了进一步了解Fe-Fe3C平衡相图，我们来考察四个单相区。最先凝固的低碳合金形成一体心立方的固溶体，称为δ固溶体，此相在1394℃以上才稳定，故工程意义不大。当温度下降，落入图3-8中的AES区域时，便形成面心立方结构的固溶体，即奥氏体(A或γ)。其主要特点是具有面心立方结构的高塑性和碳的高溶解性，此外，大多数钢的热处理是从单相奥氏体区开始的。当温度继续下降，低碳合金便落入GPQ区域，形成体心立方结构的固溶体，即铁素体(F或α)。它最多仅能溶解0.02%的碳(727℃)，因此，大多数钢中存在两相混合物。

第四个单相区是稳定的金属化合物Fe3C，又称渗碳体。和大多数金属化合物一样，渗碳体硬而脆。如合金中渗碳体过多或形状、分布不合理，都会使合金脆化。3.4.4钢的组织转变

通常，含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，大于2.11%的称为铸铁。可见碳在铁中的最大溶解度点E(见图3-8)就成了铁和钢的分界线。

由于Fe -Fe3C相图中靠近δ区的部分和含碳超过2.11%的部分此时已不重要，可删去，因此简化相图中仅保留共析反应区，如图3-10所示，此图对了解钢的性质和钢的处理非常有用。图3-10用于钢的处理的简化的Fe-Fe3C平衡相图此简化相图中出现的主要相变是温度下降时单相奥氏体(A)分解成铁素体和渗碳体两相组织。由于奥氏体和铁素体中碳溶解度的较大差别，利用热处理来控制相变过程，可使钢材获得各种不同性能。

1．共析钢组织转变

含碳量为0.77%的钢称为共析钢。由图3-10中的Ⅰ线可看出，固相高温区只存在单相奥氏体，0.77%的碳全部溶于γ -Ｆe中。当钢冷却至727℃时，同时出现几种变化。面心立方晶格的奥氏体将转变为体心立方晶格的铁素体。但由相图可知，铁素体只能固溶0.02%的碳，多余的碳以渗碳体的形式析出，即发生共析反应。因为此反应在固态下进行，所以产生的组织是铁素体和渗碳体的机械混合物，试样经抛光并在硝酸酒精稀溶液中腐蚀后，呈现出层片相间的组织(见图3-11(b))，这种组织称为珠光体。共析钢结晶过程示意图如图3-12所示。图3-11钢的平衡组织(a) wC=0.45%时亚共析钢室温平衡组织；(b)共析钢室温平衡组织；(c) wC=1.2%时过共析钢室温平衡组织图3-12共析钢结晶过程示意图

2.亚共析钢组织转变

含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢。由图3-10中的Ⅱ线可看出，固态高温时也为单相奥氏体，当冷却至Ａ3线时，先析出低碳的铁素体，从而使剩余奥氏体成分沿A3线向 S点变化。冷却至共析线温度(727℃)时，剩余奥氏体具有共析成分，进一步冷却，则发生共析反应，产生珠光体组织。最后形成的组织是初生铁素体和珠光体的岛状混合物， 如图3-11(a)所示。亚共析钢结晶过程示意图如图3-13所示。图3-13亚共析钢结晶过程示意图

3.过共析钢的组织转变

含碳量超过0.77%的钢称为过共析钢。由图3-10中的 Ⅲ 线可看出，其冷却过程与亚共析钢类似，区别在于初生相不是铁素体，而是二次渗碳体。由于富碳相形成，剩余奥氏体含碳量降低，成分沿Acm线向S点变化，在727℃时达到共析成分，发生共析转变，产生珠光体。最终组织为二次渗碳体和共析珠光体混合物，如图 3-11(c)所示。由图可见，二次渗碳体沿珠光体边界分布。当钢的碳含量较高时(wc>1%)，二次渗碳体将沿珠光体边界完全呈网状分布。过共析钢结晶过程示意图如图3-14所示。图3-14过共析钢结晶过程示意图应该指出，在所有相图中讨论的相变，都是在温度缓慢变化条件下进行的。在此条件下，这些相变处于平衡状态。然而，当合金快速冷却时，由于没有足够的时间完成正常的相变和扩散，可能得到完全不同的结果。在这种情况下，则不能用相图进行分析。由于冷却过程对于钢及其他金属的热处理常常很重要，因此将在第4章中讨论其特点，并提供一种新方法以助于分析此过程。3.4.5白口铁的组织转变

含碳量大于2.11%的合金称为白口铁或生铁。

1.共晶白口铁组织转变

含碳量为4.3%的铁碳合金称为共晶白口铁。由图3-15中的Ｉ-Ｉ'线可知，合金熔液自高温冷却至C点(共晶点)温度(1148℃)时，产生共晶反应，生成奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体(或高温莱氏体)。当温度继续降低，由于其中奥氏体含碳量沿ES线逐渐减少，因此还会不断析出二次渗碳体(Fe3CⅡ)。当冷却至共析温度(727℃)时，将发生共析反应，产生珠光体。最终组织为珠光体与渗碳体的机械混合物，称为低温莱氏体，其中渗碳体包括二次渗碳体。共晶白口铁的平衡组织如图3-16(b)所示。图3-15简化铁碳合金状态图图3-16白口铁的平衡组织(a)亚共晶白口铁；(b)共晶白口铁；(c)过共晶白口铁

2．亚共晶白口铁组织转变

含碳量在2.11%～4.3%之间的铁碳合金称为亚共晶白口铁，由图3-15中的Ⅱ-Ⅱ'线可知，共晶反应发生前有初生奥氏体生成，在随后的冷却中，奥氏体的转变与过共析钢一致。因此，自高温冷却至室温的组织为珠光体 + 二次渗碳体 + 莱氏体。亚共晶白口铁的平衡组织如图3-16(a)所示。

3.过共晶白口铁的组织转变

含碳量在4.3%～6.69%之间的铁碳合金称为过共晶白口铁。由图3-15中的Ⅲ-Ⅲ'线可知，其结晶过程与亚共晶白口铁相似，区别在于先析出相为一次渗碳体(Fe3CI)。因此，其室温组织为一次渗碳体+莱氏体。图3-16(c)给出了过共晶白口铁的平衡组织。3.4.6含碳量与铁碳合金性能关系

1.含碳量与铁碳合金力学性能关系

由上面分析可知，在平衡状态下，铁碳合金的室温组织由渗碳体和铁素体两相组成。铁素体是个软而韧的相，渗碳体是硬脆相，铁碳合金的性能一般介于此二相性能之间。此外，铁碳合金的性能还取决于渗碳体的形状、大小和分布。随含碳量的增加，铁碳合金组织中不仅渗碳体相对数量增加，而且其形状和分布情况也发生变化。在亚共析钢中，渗碳体全部存在于珠光体中，随含碳量增加，珠光体的数量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。共析钢组织为单一珠光体，共析钢的性能就是珠光体性能。在过共析钢中，渗碳体大部分存在于珠光体中，但也有部分从奥氏体晶界析出，故性能不再单向提高。当含碳量小于1%时，强度仍继续提高，在1%时达到最大值。含碳量大于1%后，因晶界上析出的二次渗碳体数量多，且易呈网状分布，对基体起割裂作用，故强度随之降低，塑性、韧性也急剧下降(见图3-17)。为保证工业用钢具有一定强度及塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.4%。

含碳量大于2.11%的白口铸铁，因组织中存在较多的渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工，因此，一般机械制造中应用不广。图3-17含碳量对钢的力学性能的影响(热轧空冷状态)

2.工艺性能与铁碳合金含碳量关系

工艺性能是指材料对某种加工工艺的适应性，包括铸造性能、压力加工性能、可焊性及切削性能。

1)铸造性能与铁碳合金含碳量关系

金属铸造成型的难易程度称为铸造性能，主要包括流动性、收缩性、偏析及热裂倾向等。从相图来看，合金的铸造性首先决定于液相线与固相线的水平距离及结晶温度范围(即垂直距离)，当然也与合金熔点有关。实践证明，液相线与固相线之间的水平距离和垂直距离越大，则固溶体晶内偏析越大，合金流动性越差，缩孔越分散，产生裂纹倾向也越严重。

由相