鐵碳合金(iron-carbon alloy)

以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應用最多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業鐵碳合金材料。鋼鐵材料適用范圍廣闊的原因，首先在于可用的成分跨度大，從近于無碳的工業純鐵到含碳4%左右的鑄鐵，在此范圍內合金的相結構和微觀組織都發生很大的變化；另外，還在于可采用各種熱加工工藝，尤其金屬熱處理技術，大幅度地改變某一成分合金的組織和性能。

鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結構及碳在合金中的存在形式有關。純鐵有三種同素異構狀態：912℃以下為體心立方晶體結構：稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結構，稱γ-Fe；1394～1538℃(熔點)，又呈體心立方，稱δ-Fe。在液態，在低于7%碳范圍，碳和鐵可完全互溶；在固態，碳在鐵中的溶解是有限的，并且溶解度取決于鐵(溶劑)的晶體結構。與鐵的三種同素異構物相對應，碳在鐵中形成的固溶體有三種：α固溶體(鐵素體)、γ固溶體(奧氏體)和δ固溶體(8鐵素體)。這些固溶體中，鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸遠比鐵原子為小，在固溶體中它處于點陣的間隙位置，造成點陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超過2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%；而在δ6-Fe中不超過0.09%。當鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時，多余的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質狀態(石墨)存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C(滲碳體，6.69%C)是亞穩相，它是具有復雜結構的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩定平衡相，具有簡單六方結構。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。

工業上獲得廣泛應用的碳鋼和鑄鐵就是鐵碳合金，含碳低于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，含碳高于2.11%的合金稱為鑄鐵。在碳鋼和鑄鐵中除碳之外，還含有硅、錳、硫、磷、氮、氫、氧等一些雜質，這些雜質是在冶煉過程中由生鐵、脫氧劑和燃料等帶入的。這些雜質對鋼鐵性能產生影響。

碳鋼一般按含碳量、用途、質量和冶煉方法分類。按含碳量可分為：低碳鋼(C<0.25%)，中碳鋼(0.25%<C<0.6%)，高碳鋼(C>0.6%)；按鋼的用途可分為碳素結構鋼和碳素工具鋼兩大類；按鋼的質量可分為：普通碳素鋼(S≤0.055%，P≤0.45%)，優質碳素鋼(S、P≤0.04%)和高級優質碳素鋼(s≤0.030%，P≤0.035%)三大類；按冶煉方法可分為沸騰鋼和鎮靜鋼、半鎮靜鋼。

根據碳在鑄鐵中存在的形式不同鑄鐵可分為：白口鑄鐵：絕大部分碳以滲碳體形式存在于鑄鐵中；灰口鑄鐵：絕大部分碳以片狀石墨形式存在；可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經石墨化退火制成，其中碳以團絮狀石墨形式存在；球墨鑄鐵：在澆注前經球化處理，碳以球狀或團狀石墨存在。