簡史 早在 1868 年，俄國學者切爾諾夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把鋼加熱到某一溫度”a”以上再快冷,才能使鋼淬硬,從而有了臨界點的概念。至1887～1892年奧斯蒙（F.Osmond）等利用熱分析法和金相法發現鐵的加熱和冷卻曲線上出現兩個駐點，即臨界點A3和A2，它們的溫度視加熱或冷卻 (分別以Ac和Ar表示)過程而異。奧斯蒙認為這表明鐵有同素異構體，他稱在室溫至A2溫度之間保持穩定的相為α鐵；A2～A3間為β鐵；A3以上為γ鐵。1895年，他又進一步證明，如鐵中含有少量碳,則在690或710℃左右出現臨界點,即Ar1點,標誌在此溫度以上碳溶解在鐵中,而在低於這一溫度時,碳以滲碳體形式由固溶體中分解出來,隨鐵中碳量提高，Ar3下降而與Ar2相合,然後斷續下降，至含碳為0.8～0.9％時與Ar1合為一點。1904年又發現A4至熔點間為δ鐵。以上述臨界點工作的成果為基礎，1899年羅伯茨－奧斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一張鐵碳相圖；而洛茲本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系統中套用吉布斯(Gibbs)相律,於1990年制定出較完整的鐵碳平衡圖。隨著科學技術的發展，鐵碳平衡圖不斷得到修訂，日臻完善。目前採用的鐵碳平衡圖示於圖1，圖中各重要點的溫度、濃度及含義如下表所列。當鐵中含碳量不同時，得到的典型組織如圖2所示。
鐵碳平衡圖
鐵碳平衡圖
鐵碳平衡圖鐵碳平衡圖釋義 純鐵有兩種同素異構體,在912℃以下為體心立方的α－Fe；在912～1394℃為面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔點)又呈體心立方結構,即δ－Fe。當碳溶於α－Fe時形成的固溶體稱鐵素體(F)、溶於γ-Fe時形成的固溶體稱奧氏體(A)，碳含量超過鐵的溶解度後，剩餘的碳可能以穩定態石墨形式存在，也可能以亞穩態滲碳體(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相。但這過程在室溫下是極其緩慢的；即使加熱到700℃，Fe3C分解成穩定相也需幾年(合金中含有矽等促進石墨化元素時,Fe3C穩定性減弱)，石墨雖然在鑄鐵(2～4％C)中大量存在,但在一般鋼(0.03～1.5％C)中卻較難形成這種穩定相。Fe－Fe3C平衡圖有重要的意義並得到廣泛的套用。圖1中的實線繪出亞穩的 Fe-Fe3C系；虛線和相應的一部分實線表示穩定的Fe-C（石墨）系；平衡圖中絕大多數線是根據實驗測得的數據繪製的；有些線，如Fe3C的液相線，石墨在奧氏體中溶解度等是由熱力學計算得出的。
鐵碳平衡圖① 在1495℃（HJB線）發生包晶反應,LB+δH匊AJ。此時液相LB(0.53％C)，δ鐵素體δH(0.09％C)，奧氏體AJ(0.17％C)三相共存。冷凝時反應的結果形成奧氏體。
② 在1148℃(ECF線)發生共晶反應,LC匊AE+Fe3C。此時液相LC(4.30％C)，奧氏體AE（2.11％C）。滲碳體(6.69％C)三相共存。冷凝時反應的結果形成了奧氏體與滲碳體的機械混合物，通稱為萊氏體。
③ 在727℃(PSK線)發生共析反應,AS匊FP+Fe3C,此時奧氏體As(0.77％C)，鐵素體FP(0.0218％C)，滲碳體(6.69％C)三相共存。冷卻時反應的結果形成鐵素體與滲碳體的混合物，通稱珠光體。共析反應溫度常標為A1溫度。
其他幾條線的含義如下:①GS線,奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶入奧氏體的轉變線,稱A3溫度。②ES線,碳在奧氏體中的溶解限度線,稱Acm溫度。在1148℃時，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11％,而在727℃時只為0.77％。所以凡是碳含量大於0.77％的鐵碳合金，在Acm溫度以下時，奧氏體中將析出滲碳體,稱為二次滲碳體,以區別於從液態中析出的一次滲碳體。③PQ線,碳在鐵素體中的溶解限度線。在727℃時,碳在鐵素體中最大溶解度為0.0218％，600℃時為0.0057％，400℃時為0.00023％,200℃以下時小於0.0000007％。碳含量大於0.0218％的合金，在PQ線以下均有析出滲碳體的可能性。通常稱此類滲碳體為三次滲碳體。④NJ線，奧氏體轉變為δ鐵素體，稱A4溫度，純鐵為1394℃，隨碳含量增加而提高。⑤ABCD線，合金的液相線。⑥AHJE線，合金的固相線。
此外，770℃水平線表示鐵素體的磁性轉變溫度,常稱為A2溫度。在此溫度以下,鐵素體呈鐵磁性。230℃水平線表示滲碳體的磁性轉變溫度。磁性轉變時不發生晶體結構的變化，滲碳體在230℃以下呈鐵磁性。
用途 鐵碳平衡圖是研究碳鋼和鑄鐵的基礎，也是研究合金鋼的基礎，它的許多基本特點即使對於複雜合金鋼也具有重要的指導意義，如在簡單二元Fe-C系中出現的各種相，往往在複雜合金鋼中也存在。當然，需要考慮到合金元素對這些相的形成和性質的影響，因此研究所有鋼鐵的組成和組織問題都必須從鐵碳平衡圖開始。工程上依據Fe-Fe3C平衡圖把鐵碳合金分為三類,即工業純鐵(C≤0.021％)、鋼(0.021～2.11％C)和鑄鐵(2.11～6.69％C)。其他在制定鋼鐵材料的鑄造、鍛軋和熱處理工藝等方面，也常以鐵碳平衡圖為依據。實際加熱時鋼鐵的臨界點往往高於Fe-Fe3C平衡圖上的臨界點,冷卻時則低於平衡圖的臨界點。如圖3所示，習慣上以A表示平衡圖上的臨界點,沿用奧斯蒙以法文加熱的首字母c及冷卻的首字母r分別標誌加熱和冷卻，Ac表示加熱時的臨界點,Ar表示冷卻時的臨界點。
鐵碳平衡圖