鐵碳合金相圖是鐵-碳二元合金系統的相圖。是研究碳鋼和生鐵的成分、溫度、組織和性能之間關系的簡明示意圖，是研究鐵碳合金的最基本工具，也是工業生產中制定各種加工工藝、進行熱處理的依據。鋼和鑄鐵都是主要由鐵與碳兩種元素所組成的合金，鐵碳合金相圖是研究鋼和鑄鐵的基礎。
鐵和碳的結合方式有兩種：其一是碳溶于鐵中形成間隙固溶體，其二是鐵和碳發生化學作用形成一系列化合物。鐵碳合金相圖也有兩個：一個是亞穩定的鐵-滲碳體（Fe-Fe?C）合金相圖，它實際上是鐵碳合金相圖的鐵端，即w(C)=0~6.69%的部分；另一個是穩定的鐵-石墨（Fe-C）合金相圖，它的(C)=0~100%。一般把這兩個相圖中碳含量相同的部分畫在一起。
鐵碳合金相圖可以表示出鐵碳合金在極緩慢的加熱和冷卻過程中溫度、成分與金相組織之間的相互關系，及合金中相的組成、相的相對數量和相變的極限溫度等，是制訂鋼鐵熱處理工藝的科學依據之一。
基本概況
在加工完的鋼和生鐵中，總會含有一定數量的碳元素，這些碳元素所占的比重決定了鋼/鑄鐵的特性。通過鐵碳合金相圖，人們可以直觀的看出（鋼鐵）形成過程中的組分變化與碳元素含量、溫度間的相互關系。
碳是鐵碳合金中最重要的合金元素，碳含量小幅的變化也可能會對合金的材質或性質有大的影響。鐵碳合金相圖可以表達溫度及碳的濃度對鋼鐵的影響，不過沒有其他金屬的資訊。鐵碳合金相圖可以分為二部分：亞穩定的Fe-Fe3C系統，其中的碳已和鐵鍵結，以及穩定的Fe-C系統，其中碳以石墨的形式存在。鐵碳合金相圖一般會包括這兩個系統，不過Fe-Fe3C系統用到的比較多。
代表性區域
相圖中的X軸是碳的含量，Y軸是溫度。圖中只標示一般比較常用到的部分，也就是碳含量在0%到6.67%的區域（只有少量合金的含量高過此值），碳含量6.67%約對應100%的滲碳體。相圖中代表性的位置用英文字母表示，有些標示方式會省略英文字母I，改用字母J表示。
其中折線ABCD是液相線，在液相線以上的部分為液體。折線AHIECF為固相線，低于固相線的部分為固體。在液相線和固相線之間的是糊狀、部分熔化的區域，其中包括δ鐵、γ鐵和碳化三鐵（Fe3C）．有不同的濃度及比例。若合金冷卻到液相線下時，會漸漸的結晶。
隨著碳含量的不同，鐵碳合金中的鐵也會出現不同的同素異形體，像分別由δ鐵、γ鐵及α鐵形成的固溶體，對碳就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格結構及晶格常數。像鐵素體就是由δ鐵或α鐵形成的固溶體，而奧氏體則以γ鐵為主。
大致的分區
??熔化是指形成液相的鐵碳合金，液相線以上均為液相，在液相線和固相線之間的是固相和液相共存。
??δ鐵素體：立方晶系，形成于高溫下。
??γ奧氏體：面心立方晶系
??α鐵素體：體心立方晶系
??石墨（穩定態）或滲碳體（Fe3C，亞穩定系統）
珠光體和萊氏體不算是特別的相，只是一種相混合狀態（微結構）。珠光體和萊氏體只會出現在穩定，或是亞穩定的系統中，例如緩慢的冷卻。若是快速冷卻（例如淬[cuì]火）會形成馬氏體，是一種硬脆的結構。以下是在亞穩定的系統中，一些特殊的點、線及現象。
??點
??A：（0%/1538 °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）
??線
??液相線：A-B-C-D，固相線: A-H-I-E-C-F
??共晶線：E-C-F，共析線：P-S-K，包晶線：H-I-B
??現象
??共晶點：4.3%/1147 °C（C點）
??共析點：0.8%/723 °C（S點）
??包晶點：0.16%/1493 °C（I點）
金相名稱
以下是各金相的名稱，δ固溶體、γ固溶體及α固溶體分別是指鐵素體、奧氏體及鐵素體。
鐵碳化合物滲碳體（FeC）也是一個相，但和上述鐵和碳混合的相不同，碳化三鐵是中間相，碳化三鐵會以三種不同的形式出現，但其化學成分是一樣的。
以下是一些相和相的混合物：
等溫過程
鐵碳合金相圖中有三個等溫過程，分別是包晶（線 HIB）、共晶（線 ECF）及共析（線 PSK）。
點 H：δ鐵素體中，最大碳溶解度的點 點 I：包晶 δ+L → γ
當鋼加熱或是冷卻的時候，會出現一些特性不連續變化的情形，主要有以下幾點。
??A– 線P-S-K，當碳含量> 0.02 %時，低于723°C時奧氏體會分解為珠光體。
??A– 線M-O，加熱超過769°C（居里點）時會失去鐵磁性。
??A– 線G-O-S，冷卻時會形成含碳量較少的鐵素體，從奧氏體中游離的碳會開始累積，直到溫度到723°C的共晶溫度為止。
原理應用
配合鐵碳合金相圖，可以清楚的回答一些有關鋼（可鍛的鐵碳合金，碳含量小于2.6%）及生鐵（不可鍛的鐵碳合金，碳含量大于2.6%）的特性問題。
??鋼可以鍛造，因為其成分為均質的奧氏體，而鑄鐵中的碳是以石墨或是萊氏體的形式存在，因此延展性變差，不適合鍛造，而且其相變化是在熔化時突然發生。
?純鐵的熔點是1538°C，也可以看出鋼及鑄鐵在完全固化（或開始熔化）時的溫度（A-H-I-E線及E-C-F線），鑄鐵開始熔化的最低溫度是在1147°C，這也說明鑄鐵比鋼更容易用在鑄造的應用上。
基于上述原因，鐵碳合金相圖是在要了解鐵碳合金特性時，很重要的工具。
參考資料 >