1）纯铁的同素异构转变
钢铁材料之所以应用得非常广泛，其中最主要的原因是由于组成钢铁材料的主要元素铁在不同的固态温度下其晶体结构会发生改变，可形成多种固溶体。纯铁的冷却曲线如图2－40所示。从曲线上可以看到，纯铁从液态经1 538℃结晶后是体心立方晶格，称为δ－Fe。在1 394℃以下转变为面心立方晶格，称为γ－Fe。冷却到912℃时又转变为体心立方晶格，称为α－Fe。这种金属在固态下随着温度的变化，晶格由一种类型转变成为另一种类型的转变过程，称为同素异构转变（同素异晶转变）。
图2－40 纯铁的同素异构转变
同素异构转变是钢铁一个重要特性，是能够进行热处理来改变性能的基础。同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，是重新结晶过程，有一定的转变温度，而且转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。
2）铁碳合金中的基本相和组织
铁碳合金内部铁、碳原子相互作用形成各种相的结构。在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成间隙固溶体。当碳含量超过铁的溶解度时，多余的碳与铁形成金属化合物。
（1）铁碳合金的基本相
①铁素体
碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体仍然保持α－Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格的间隙很小，溶碳能力很低，室温时溶碳量仅为～0．000 8%，随着温度升高，溶碳量逐渐增加，在727℃时，溶碳量wC＝0．021 8%。因此，铁素体室温时的性能与纯铁相似，强度、硬度低，塑性和韧性好。
铁素体的显微组织呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折如图2－41所示。
图2－41 铁素体的显微组织示意图
②奥氏体
碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍保持γ－Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格的间隙较大，因此溶碳能力也较大，在727℃时溶碳量wC＝0．77%，随着温度的升高溶碳量逐渐增多，到1 148℃时，溶碳量可达wC＝2．11%，奥氏体固溶强化效果较好，故强度和硬度较高。由于奥氏体是容易产生滑移的面心立方晶格，塑性韧性较好，所以钢在锻造前都需加热到高温，使之呈单一奥氏体状态，以易于进行塑性变形。
奥氏体的显微组织与铁素体的显微组织相似，呈多边形，但晶界较铁素体平直，如图2－42所示。
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图2－42 奥氏体的显微组织示意图
③渗碳体
渗碳体是铁和碳相互作用，形成的具有复杂晶格的间隙化合物，用分子式Fe3C表示。渗碳体的wC＝6．69%，熔点为1 227℃，硬度很高（约1 000HV），塑性、韧性几乎为零，极脆。
渗碳体在铁碳合金中常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，如能合理利用，渗碳体是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大的影响，另外，在一定条件下它会发生分解，分解出的单质碳为石墨。
（2）铁碳合金中基本相构成的组织
铁碳合金中的三种基本相（铁素体、奥氏体和渗碳体）可以相互组合形成基本组织珠光体和莱氏体。
①珠光体
铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体，用符号P表示，其平均含碳量为0．77%。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层片层相间的层状混合物，其显微形态为指纹状，如图2－43所示。性能介于铁素体和渗碳体之间，缓冷时硬度为180～200HBW，有一定的塑韧性，是一种综合力学性能较好的组织。
图2－43 珠光体的显微组织
图2－44 莱氏体的显微组织
②莱氏体
莱氏体组织是由奥氏体和渗碳体两相组成的混合物，用符号Ld表示，平均含碳量为4．3%。其形态为小点状奥氏体均匀分布于渗碳体的基体上，其显微形态为蜂窝状，如图2－44所示。莱氏体组织由于含碳量高，Fe3C相对量也比较多（约占64%以上），故莱氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。
铁碳合金中基本相及其构成的组织特征，如表2－4所示。
表2－4 铁碳合金中基本相及其构成的组织
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