1.2 铁碳合金
1.2.1 铁碳合金相图
钢铁的成分不同，其组织和性能也不同。下面将依据铁碳合金相图及对典型铁碳合金结晶过程的分析，研究铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系。
铁和碳的结合方式有两种。其一是碳溶于铁中形成间隙固溶体，如碳可以分别溶于δ-Fe、γ-Fe、α-Fe中，形成相应的固溶体；其二是铁和碳发生化学作用形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。因此，整个铁碳合金相图包括Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC、FeC-C等几个部分，如图1-3所示。
图1-3 铁碳合金的各种化合物
Fe3C的碳质量分数为6.69%。工业上使用的铁碳合金，碳质量分数不超过5%，所以铁碳相图中只有Fe-Fe3C部分有实用意义（图1-3中的影线部分），通常称为Fe-Fe3C相图，如图1-4所示。
图1-4 Fe-Fe3C相图
1.2.1.1 Fe-Fe3C相图中的相
Fe-Fe3C相图中存在5种相。
1）液相 铁和碳的液溶体，用符号L表示。
2）高温铁素体（δ铁素体）是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，在1394℃以上存在。
3）铁素体 是碳在α-Fe中间隙固溶体。铁素体中碳的溶解度很小。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好。铁素体用符号F表示。
4）奥氏体 是碳在γ-Fe中间隙固溶体。奥氏体中碳的溶解度较大。其性能特点是强度较低、硬度不高、塑性良好。奥氏体用符号A表示。
5）渗碳体 是铁与碳的一种具有复杂晶格的间隙化合物，化学式为Fe3C。其性能特点是硬度很高、塑性极差、脆性大。渗碳体用Fe3C表示。
1.2.1.2 Fe-Fe3C相图中特性点和特性线
Fe-Fe3C相图中部分特性点的温度、碳质量分数及含义如表1-1所示。
表1-1 Fe-Fe3C相图中的主要特性点
续表
在Fe-Fe3C相图上，有若干合金状态的分界线，它们是不同成分合金具有相同含义的临界点的连线。几条主要特性线的物理含义如表1-2所示。
表1-2 Fe-Fe3C相图中的特性线
1.2.2 碳素钢
碳素钢（简称碳钢）是碳的ωC＜2.11%，而且以碳为主要合金元素的铁碳合金。由于其价格低廉、冶炼方便，工艺性能良好，并且在一般情况下能满足使用性能要求，因而在机械制造、建筑、交通运输及其他工业部门得到了广泛的应用。
1.2.2.1 碳素钢的分类
碳素钢按碳的平均质量分数可分为低碳钢（ωC＜0.25%）、中碳钢（ωC=0.25%～0.60%）、高碳钢（ωC＞0.60%）；按钢的冶金质量和钢中有害杂质含量分为普通质量钢（ωS=0.035%～0.050%，ωP=0.035%～0.045%）、优质钢（ωS、ωP均≤0.035%）、高级优质钢（ωS=0.020%～0.030%，ωP=0.025%～0.030%）；按用途分为碳素结构钢、碳素工具钢。
1.2.2.2 碳素结构钢
碳素结构钢牌号用“Q+数字”表示，“Q”为屈服点，数字表示屈服点数值。如Q275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同。“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标的为镇静钢。例如，Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。
碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235含碳量低，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、销轴等。Q255和Q275钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作为结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、联轴节等。
1.2.2.3 优质碳素结构钢
优质碳素结构钢牌号由两位数字或数字与特征符号组成，以两位数字表示平均碳的质量分数（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。
优质碳素结构钢按其含锰量的不同，分为普通含锰量（ωMn=0.25%～0.8%）和较高含锰量（ωMn=0.7%～1.2%）两组。含锰量较高的一组在牌号数字后面加“Mn”字。
优质碳素结构钢主要用于制造机械零件：08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成形性能和焊接性能，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理后具有较高的强度和较高塑性、韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢热处理后具有高的弹性极限，常用作弹簧。
1.2.2.4 碳素工具钢
这类钢的牌号是由代表碳的符号“T”与数字组成，其中数字表示钢中平均碳的质量分数（以千分之几计）。对于含锰较高或高级优质碳素工具钢，牌号尾部表示同优质碳素结构钢。例如，T12，表示ωC=1.2%的碳素工具钢。
碳素工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制造低速、手动工具及常温下使用的工具、模具、量具等。常用的牌号有T7、T8，用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等；T9、T10、T11用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条等；T12、T13钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具，如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。
1.2.2.5 铸造碳钢
许多形状复杂的零件，很难通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能又难以满足需要，此时常用铸钢铸造获取铸钢件。
铸钢的牌号是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值。例如，ZG270-500，表示屈服强度不低于270MPa，抗拉强度不低于500MPa的铸造碳钢。