更新时间：2023-08-15 17:25
铁碳合金相图是研究碳钢和生铁的成分、温度、组织和性能之间关系的简明示意图，是研究铁碳合金的最基本工具，也是工业生产中制定各种加工工艺、进行热处理的依据。钢和铸铁都是主要由铁与碳两种元素所组成的合金，铁碳合金相图是研究钢和铸铁的基础。
铁和碳的结合方式有两种：其一是碳溶于铁中形成间隙固溶体，其二是铁和碳发生化学作用形成一系列化合物。铁碳合金相图也有两个：一个是亚稳定的铁-渗碳体（Fe-Fe₃C）合金相图，它实际上是铁碳合金相图的铁端，即w(C)=0~6.69%的部分；另一个是稳定的铁-石墨（Fe-C）合金相图，它的(C)=0~100%。一般把这两个相图中碳含量相同的部分画在一起。
铁碳合金相图可以表示出铁碳合金在极缓慢的加热和冷却过程中温度、成分与金相组织之间的相互关系，及合金中相的组成、相的相对数量和相变的极限温度等，是制订钢铁热处理工艺的科学依据之一。
在加工完的钢和生铁中，总会含有一定数量的碳元素，这些碳元素所占的比重决定了钢/铸铁的特性。通过铁碳合金相图，人们可以直观的看出（钢铁）形成过程中的组分变化与碳元素含量、温度间的相互关系。
碳是铁碳合金中最重要的合金元素，碳含量小幅的变化也可能会对合金的材质或性质有大的影响。铁碳合金相图可以表达温度及碳的浓度对钢铁的影响，不过没有其他金属的资讯。铁碳合金相图可以分为二部分：亚稳定的Fe-FeC系统，其中的碳已和铁键结，以及稳定的Fe-C系统，其中碳以石墨的形式存在。铁碳合金相图一般会包括这两个系统，不过Fe-FeC系统用到的比较多。
相图中的X轴是碳的含量，Y轴是温度。图中只标示一般比较常用到的部分，也就是碳含量在0%到6.67%的区域（只有少量合金的含量高过此值），碳含量6.67%约对应100%的渗碳体。相图中代表性的位置用英文字母表示，有些标示方式会省略英文字母I，改用字母J表示。
其中折线ABCD是液相线，在液相线以上的部分为液体。折线AHIECF为固相线，低于固相线的部分为固体。在液相线和固相线之间的是糊状、部分熔化的区域，其中包括δ铁、γ铁和碳化三铁（Fe3C）．有不同的浓度及比例。若合金冷却到液相线下时，会渐渐的结晶。
随着碳含量的不同，铁碳合金中的铁也会出现不同的同素异形体，像分别由δ铁、γ铁及α铁形成的固溶体，对碳就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格结构及晶格常数。像铁素体就是由δ铁或α铁形成的固溶体，而奥氏体则以γ铁为主。
• 熔化是指形成液相的铁碳合金，液相线以上均为液相，在液相线和固相线之间的是固相和液相共存。
• δ铁素体：立方晶系
• γ奥氏体：面心立方晶系
• α铁素体：体心立方晶系
• 石墨（稳定态）或渗碳体（FeC，亚稳定系统）
珠光体和莱氏体不算是特别的相，只是一种相混合状态（微结构）。珠光体和莱氏体只会出现在稳定，或是亚稳定的系统中，例如缓慢的冷却。若是快速冷却（例如火）会形成马氏体，是一种硬脆的结构。以下是在亚稳定的系统中，一些特殊的点、线及现象。
• 点
• A：（0%/1536 °C），B：（0,53%/1492 °C），C：（4.3%/1147 °C），D：（6.67%/1320 °C），E：（2.06%/1147 °C）
• F：（6.67%/1147 °C），G：（0%/911 °C），H：（0.1%/1493 °C），I：（0.16%/1493 °C），K：（6.67%/723 °C）
• N：（0%/1392 °C），P：（0.022%/723 °C），S：（0.8%/723 °C），Q：（0.002%/20 °C），M：（0%/769 °C）
• S'：（0.69%/738 °C），E'：（2.03%/1153 °C），C'：（4.25%/1153 °C）
• 线
• 液相线：A-B-C-D，固相线: A-H-I-E-C-F
• 共晶线：E-C-F，共析线：P-S-K，包晶线：H-I-B
• 现象
• 共晶点：4.3%/1147 °C（C点）
• 共析点：0.8%/723 °C（S点）
• 包晶点：0.16%/1493 °C（I点）
以下是各金相的名称，δ固溶体、γ固溶体及α固溶体分别是指铁素体、奥氏体及铁素体。
铁碳化合物渗碳体（FeC）也是一个相，但和上述铁和碳混合的相不同，碳化三铁是中间相，碳化三铁会以三种不同的形式出现，但其化学成分是一样的。
以下是一些相和相的混合物：
铁碳合金相图中有三个等温过程，分别是包晶（线 HIB）、共晶（线 ECF）及共析（线 PSK）。
点 H：δ铁素体中，最大碳溶解度的点 点 I：包晶 δ+L → γ
当钢加热或是冷却的时候，会出现一些特性不连续变化的情形，主要有以下几点。
• A– 线P-S-K，当碳含量\u003e 0.02 %时，超过723°C时奥氏体会分解为珠光体。
• A– 线M-O，加热超过769°C（居里点）时会失去铁磁性。
• A– 线G-O-S，冷却时会形成含碳量较少的铁素体，从奥氏体中游离的碳会开始累积，直到温度到723°C的共晶温度为止。
配合铁碳合金相图，可以清楚的回答一些有关钢（可锻的铁碳合金，碳含量小于2.6%）及生铁（不可锻的铁碳合金，碳含量大于2.6%）的特性问题。
• 钢可以锻造，因为其成分为均质的奥氏体，而铸铁中的碳是以石墨或是莱氏体的形式存在，因此延展性变差，不适合锻造，而且其相变化是在熔化时突然发生。
•纯铁的熔点是1538°C，也可以看出钢及铸铁在完全固化（或开始熔化）时的温度（A-H-I-E线及E-C-F线），铸铁开始熔化的最低温度是在1147°C，这也说明铸铁比钢更容易用在铸造的应用上。
基于上述原因，铁碳合金相图是在要了解铁碳合金特性时，很重要的工具。