（一）合金的组织
合金是由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如碳钢和铸铁是由铁元素和碳元素组成的合金。组成合金的最基本的独立的物质叫作组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。在合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫作相，合金在固态下，多由两个以上固相组成多相合金。
合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、性能和组织所决定的，合金性能高于纯金属的原因是组织结构更复杂，组成合金的元素相互作用不同会形成各种不同的相结构所致。
合金比纯金属应用更为普遍，这也是合金内部组织结构的种类多，而且可以控制部分合金成分及组织结构来获得所需的各种性能。
根据两种元素相互作用的关系，以及形成晶体结构和显微组织的特点可将合金的组织分为三类：
（1）固溶体。固溶体是一种物质的原子均匀地溶解入另一种物质的晶格内，形成单相晶体结构。根据原子在晶格上分布的形式，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。某一元素晶格上的原子部分地被另一元素的原子所取代，称为置换固溶体，如铬原子和镍原子替代铁原子占据了铁的晶格的某些位置；如果另一元素的原子挤入某元素晶格原子之间的空隙中，则称为间隙固溶体，如碳原子溶入铁的晶格中（图2-4）。
图2-4 固溶体示意图
（a）置换固溶体；（b）间隙固溶体
两种元素的原子大小差别愈大，形成固溶体后所引起的晶格扭曲程度越大。扭曲的晶格增加了金属塑性变形的阻力，所以固溶体比纯金属硬度高、强度大。
（2）化合物。两种元素的原子按一定比例相结合，具有新的晶体结构，在晶格中各元素原子的相互位置是固定的，叫化合物。通常化合物具有较高的硬度、较低的塑性，脆性也较大。碳钢中化合物叫作渗碳体（Fe3C）。
（3）机械混合物。固溶体和化合物均为单相的合金，若合金是由两种不同的晶体结构彼此机械混合组成，称为机械混合物。它往往比单一的固溶体合金有更高的强度、硬度和耐磨性；塑性和压力加工性能则较差。
碳钢中随碳元素增加，钢中的铁碳化合物增多，硬度和耐磨性也随之增加。
（二）钢中常见的显微组织
（1）铁素体（F）。铁素体是少量的碳和其他合金元素固溶于αFe中的间隙固溶体。α Fe为体心立方晶格，碳原子以填隙状态存在，合金元素以置换状态存在。铁素体溶解碳的能力很差，在723℃时为0.0218%，室温时仅0.00577%。铁素体的强度和硬度低，但塑性和韧性很好，所以含铁素体多的钢（如低碳钢）就表现出强度、硬度较低，而塑性和韧性较好。
（2）渗碳体（Fe3C）。渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物，分子式是Fe3C，其性能与铁素体相反，硬而脆，随着钢中含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，钢的硬度、强度也增加，而塑性、韧性则下降。
（3）珠光体（P）。珠光体是铁素体和渗碳体形成的机械混合物，含碳量在0.77%左右，只有温度低于727℃时才存在。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，同时取决于渗碳体的形态。
（4）奥氏体（A）。奥氏体是碳和其他合金元素在γ Fe中的间隙固溶体。在一般钢材中，只有高温时（727℃以上）存在。当含有一定量扩大γ区的合金元素时，则可能在室温下存在，如铬镍奥氏体不锈钢在室温时的组织为奥氏体。奥氏体为面心立方晶格，奥氏体的强度和硬度不高，塑性和韧性很好。奥氏体的另一特点是没有磁性。
（5）马氏体（M）。马氏体是碳在α Fe中的过饱和固溶体，一般可分为低碳马氏体和高碳马氏体。马氏体的体积比相同重量的奥氏体的体积大，因此由奥氏体转变为马氏体时体积要膨胀，局部体积膨胀后引起的内应力往往导致零件变形、开裂。高碳淬火马氏体具有很高的硬度和强度，但很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。高碳淬火马氏体须经过热处理后才能使用。低碳回火马氏体则具有相当高的强度和良好的塑性和韧性相结合的特点。
（6）魏氏组织。魏氏组织是一种过热组织，是由彼此交叉约60°的铁素体针嵌入基体的显微组织。碳钢（含碳小于0.6%或大于1.2%时）过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体以一定速度冷却时，很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使钢材的塑性和韧性下降，使钢变脆。钢产生魏氏组织后，须经过热处理消除后，才能使用。
（7）莱氏体（Ld）。莱氏体（主要存在于铸铁和高碳钢中）是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的机械混合物，其含碳量为4.3%。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成。在温度低于727℃时，莱氏体由珠光体和渗碳体组成。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体两种。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体，由于其中的奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存于727℃以上。高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体机械混合物，称低温莱氏体。
（三）铁 碳合金平衡状态图
钢和铸铁都是铁碳合金。含碳量低于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量2.11%～6.67%的铁碳合金称为铸铁。为了全面了解铁碳合金在不同含碳量和不同温度下所处的状态及所具有的组织结构，可用FeC合金平衡状态图来表示这种关系，如图2-5所示。图上纵坐标表示温度，横坐标表示铁碳合金中碳的百分含量。例如，在横坐标左端，含碳量为零，即为纯铁；在右端，含碳量为6.67%，全部为渗碳体（Fe3C）。
图2-5 FeC平衡状态图
图中ACD线为液相线，在ACD线以上的合金呈液态。这条线说明纯铁在1538℃凝固，随碳含量的增加，合金凝固点降低。C点合金的凝固点最低，为1148℃。当含碳量大于4.3%以后，随含碳量的增加，凝固点增高。
AHJEF线为固相线。在AHJEF线以下的合金呈固态。在液相线和固相线之间的区域为两相（液相和固相）共存。
GS线表示含碳量低于0.8%的钢在缓慢冷却时由奥氏体开始析出铁素体的温度。
ECF水平线，1148℃，为共晶反应线。液体合金缓慢冷却至该温度时，发生共晶反应，生成莱氏体组织。
PSK水平线，727℃，为共析反应线，表示铁碳合金在缓慢冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度。
为了使用方便，PSK线又称为A1线，GS线称为A3线，ES线为Acm线。
C点是碳在奥氏体中最大溶解度点，也是区分钢与铸铁的分界点，其温度为1148℃，含碳量为2.11%。
S点为共析点，温度为727℃，含碳量为0.8%。S点成分的钢是共析钢，其室温组织全部为珠光体。S点左边的钢为亚共析钢，室温组织为铁素体＋珠光体；S点右边的钢为过共析钢，其室温组织为渗碳体＋珠光体。
C点为共晶点，温度为1148℃，含碳量为4.3%。C点成分的合金为共晶铸铁，组织为莱氏体。含碳量在2.11%～4.3%的合金为亚共晶铸铁，组织为莱氏体＋珠光体＋渗碳体；含碳量在4.3%～6.67%的合金为过共晶铸铁，组织为莱氏体＋渗碳体。
莱氏体组织在常温下是珠光体＋渗碳体的机械混合物，其性硬而脆。
现以含碳0.2%的低碳钢为例，说明从液态冷却到室温过程中的组织变化。当液态钢冷却至AC线时，开始凝固，从钢液中生成奥氏体晶核，并不断长大；当温度下降到AE线时，钢液全部凝固为奥氏体；当温度下降到GS（A3）线时，从奥氏体中开始析出铁素体晶核，并随温度的下降，晶核不断长大；当温度下降到PSK（A1）线时，剩余未经转变的奥氏体转变为珠光体；从A1下降至室温，其组织为珠光体＋铁素体，不再变化，如图2-6所示。
FeC合金平衡状态图对于热加工具有重要的指导意义，尤其对焊接，可根据状态图来分析焊缝及热影响区的组织变化，选择焊后热处理工艺等。
图2-6 低碳钢由高温冷却下来的组织变化示意图
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