2.2. 碳的作用纯铁非常软 ， 通常不作为工程材料使用 。通常的方法是在其中加入少量的碳 ， 使纯铁转变成钢 ， 起到强化的作用 。在固态的钢中 ， 碳通常以两种形式存在：间隙固溶体(interstitial solid solution)和间隙化合物(interstitial compound) ， α-Fe中溶解微量的碳（约0.02%）形成的间隙固溶体叫做铁素体(ferrite) ， γ-Fe中溶解较多的碳（≤2%）形成的间隙固溶体叫做奥氏体(austenite)；碳和铁形成Fe3C的间隙化合物称为渗碳体(cementite)（有些特殊现象：在灰口铸铁(gray iron)中 ， 碳呈现出雪花状或簇状碳纤维 ， 其原因是其中的硅(silicon)抑制了铁和碳化合物的形成） ， 这种铁和碳的化合物形式也适用与碳和其它合金 ， 例如钛 。
碳的作用可以通过铁碳平衡图来表示 ， 如图7所示 。A-B-C线是液相线（也就是说在这条线上熔化状态的铁开始凝固）；H-J-E-C线是固相线（在这条线上金属完全凝固） 。从A-B-C线上可以看出凝固温度随着碳含量的增加而降低（这也就解释了为什么含碳量为2%的灰口铸铁能够在比钢更低的温度下进行加工） 。如图7中经过S点的虚线所示：含碳量为0.8%的熔融钢在1475°C时开始凝固 ， 在1400°C完全凝固 。从此点开始随着温度降低 ， 固体钢为奥氏体 ， 即碳融于fcc结构的铁中的间隙固溶体 。随着温度的降低 ， 在723°C的S点产生了巨大的变化：奥氏体晶体变成了由交错的片状铁素体和渗碳体（Fe3C）组成的细小的层状结构 。这种金相组织叫做珠光体(pearlite) ， 这个变化叫做共析变化(eutectoid transformation) 。珠光体的维氏硬度(diamond pyramid hardness - DPH)可以达到每平方毫米200千克力 ， 而纯铁的维氏硬度仅为70千克力每平方毫米（kgf/mm^2） 。含碳量更低的钢 ， 例如0.25% ， 在冷却的过程中其金相组织中包含约50%的珠光体和约50%的铁素体 ， 此时的维氏硬度为130kgf/mm^2 ， 比单纯珠光体组织的钢要软 。含碳量大于0.8%的钢 ， 例如1.05% ， 其金相组织由珠光体和渗碳体组成 ， 比单纯珠光体组织的钢要硬 ， 维氏硬度可达250kgf/mm^2 。
图7 铁碳平衡图
2.3. 热处理的作用调整钢中的碳含量是改变钢的机械性能的最简单的方法 。此外 ， 通过热处理也能够改变钢的机械性能 ， 例如：在奥氏体向铁素体的转变过程中（P-S-K线）加速冷却（这个变化也叫做Ar1转变 ， r代表法语冷却(refroidissement)的意思） 。以每分钟200°C的速度给含碳量为0.8%组织为珠光体结构的钢进行冷却可以得到维氏硬度为300kgf/mm^2的钢 ， 如果以400°C/min的速度进行冷却则可以得到维氏硬度为400kgf/mm^2的钢 。通过此种方法使钢的硬度得到提升的原因是：在室温缓慢冷却的过程中可以得到细小的珠光体和铁素体 ， 理论上来说 ， 当钢迅速冷却时 ， 碳原子没有足够的时间从晶格中逃出来组成碳化物（渗碳体） 。当冷却速度更快的时候 ， 例如以1000°C/min的速度对钢进行淬火(quenching)可以完全阻止碳原子从晶格中逃出来形成碳化物 ， 从而在铁素体中聚集了大量的碳原子 ， 这种组织结构叫做马氏体(martensite) ， 其维氏硬度可以达到1000kgf/mm^2 ， 这种结构的钢硬度非常高但也非常脆 。对马氏体组织进行回火（也叫调制）(tempering) ， 即把马氏体钢进行加热到比如400°C ， 同时保持一段时间 。这种方法能够降低钢的硬度和脆性 ， 从而得到高强度和高韧性的钢 。作为一种重要的热处理方式 ， 在淬火+回火（调制）的热处理方法中的主要参数是冷却速度、回火温度和保温时间 。
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