碳钢是一种以铁、碳两种元素为主要成分的合金。由于它具有良好的力学性能和加工性能，是机械制造工业中应用最广泛的一种金属材料。碳钢的这种优良性能是由其内部组织结构决定的，而组织结构又随成分和加工工艺条件的变化而改变。
纯铁的强度很低，不能制作受力的零（构）件。若在其中加入少量的碳以后，其硬度和强度可成倍增加（表6-1）。碳钢就是以铁和碳为主要成分的合金。所谓合金是指通过熔炼、烧结或其他方法，将一种金属元素和其他元素（一种或几种）结合在一起所形成具有金属特性的新物质。
表 6‑1工业纯铁和几种铁碳合金的成分、 组织及硬度
铁碳合金按其碳的质量分数及室温平衡组织分为三类。
1）工业纯铁（wC<0.0218%）——组织为铁素体和少量三次渗碳体。
2）钢（wC为0.0218%～2.11%），其中又分为三类：
亚共析钢（wC<0.77%）——组织为铁素体和珠光体。
共析钢（wC为0.77%）——组织为珠光体。
过共析钢（wC>0.77%）——组织为珠光体和二次渗碳体。
3）白口铸铁（wC为2.11%～6.69%），其中又分为三类：
亚共晶白口铸铁（wC<4.3%）——组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体。共晶白口铸铁（wC为4.3%）——组织为莱氏体。过共晶白口铸铁（wC>4.3%）——组织为一次渗碳体和莱氏体。
Fe-Fe3C相图
相图中各主要点的温度、碳的质量分数及意义列于表6-2中。
ABCD为液相线；AHJECF为固相线。HJB、ECF、PSK三条水平线为恒温转变线。NH、NJ和GS、GP为固溶体的同素异构转变线。ES和PQ为固溶度线，分别表示碳在奥氏体和铁素体中的极限溶解度随温度的变化线。
相图中各主要线的意义为：
图 6‑1Fe-Fe3c相图
表 6‑2 Fe-Fe3C 相图中各主要点的温度、 碳的质量分数及意义
室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成。铁素体为软、韧相；渗碳体为硬、脆相。当两者以层片状组成珠光体时，则兼具两者的优点，即珠光体具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性，如表6-3所示。
渗碳体是铁碳合金中的强化相。工业纯铁中的渗碳体量极少，其强度、硬度很低，不能制作受力的零件，但它具有优良的铁磁性，可作铁磁材料。碳钢具有良好的力学性能和压力加工性能，经热处理其力学性能可以大幅度提高，工业中应用广泛。碳钢中渗碳体量越多，分布越均匀，其强度越高，随着碳质量分数的增加，强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当wC>1.0%时，由于网状Fe3CⅡ出现，导致钢的强度下降。为了保证工业用钢具有足够的强度和适宜的塑性、韧性，其wC一般不超过1.3%～1.4%。wC>2.11%的铁碳合金（白口铸铁），由于其组织中存在大量渗碳体，具有很高的硬度，但性脆，难以切削加工，且不能锻造，故除作少数耐磨零件外，很少应用。
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