铁碳相图的出现与钢中相变临界点概念的提出有着不可分割的关系。1868年，俄国冶金学家D.K.切尔诺夫从炮管的锻造、淬火、回火、断口检验等大量生产实践中总结出钢一定要加热到某一温度“a”以上才能在淬火急冷后硬化，在这个温度以下淬火，钢不但不硬化反而变软，从而明确地提出临界点的概念（相当于现在的临界点）。切尔诺夫还发现，随着钢中碳含量的变化，这个临界点范围也有所变化。另外，他还指出，“钢在淬火中需要急冷到的温度也有一定数值”。该温度相当于现在所说的马氏体转变开始温度M_s。在切尔诺夫研究成果的影响下，F.奥斯蒙在1887年开始从事钢的临界点研究，开始时他还沿用切尔诺夫的临界点符号“a”，后来改用大写字母A。奥斯蒙等人利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点和。它们的温度视加热或冷却（分别以和表示）过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至温度之间保持稳定的相为铁；间为铁（后来证明室温至A₃温度之间保持稳定的相均为铁，而铁的名称已淘汰）；以上为铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳，则在690℃或710℃左右出现临界点，即点，标志在此温度以上碳溶解在铁中；而在低于这一温度时，碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来，随铁中碳量提高，下降而与相合，然后断续下降，至含碳为0.8%～0.9%时与合为一点。1904年他又发现至熔点间为δ铁。以上述研究成果为基础，1899年W.C.罗伯茨-奥斯汀制定了第一张铁碳平衡图；1900年荷兰H.W.巴基乌斯-洛兹本^[注]又首先在合金系统中应用吉布斯相律，制定出较完整的铁碳相图。随着科学技术的发展，尤其是随着更丰富和准确的实验数据以及相图计算方法的发展，铁碳相图不断得到修订，日臻完善。

在铁碳相图的发展应用过程中，中国台湾地区形成了对铁碳相图的不同标注方式以及相和组织组成物的中文译名方法，如将铁素体称为“肥粒铁”，渗碳体称为“雪明碳铁”，珠光体称为“波来铁”，莱氏体称为“粒滴斑铁”等。

20世纪60年代开始采用的铁碳平衡图示于图1中，图中各重要点的温度、浓度及含义见表1。当铁中含碳量不同时，得到的典型组织见图2。

图1 铁碳相图

图2　铁中含碳量不同时得到的典型组织

纯铁有两种同素异构体，在912℃以下为体心立方的αFe；在912～1394℃为面心立方的γFe；在1394～1538℃（熔点）又呈体心立方结构，即δFe。当碳溶于αFe时形成的固溶体称铁素体（F）、溶于γFe时形成的固溶体称奥氏体（A），碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体（Fe₃C）形式存在。Fe₃C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的，即使加热到700℃，Fe₃C分解成稳定相也需几年（合金中含有硅等促进石墨化元素时，Fe₃C稳定性减弱）。石墨虽然在铸铁（2%～4%C）中大量存在，但在一般钢（0.03%～1.5%C）中却较难形成这种稳定相。从而，Fe-Fe₃C相图有重要的意义并得到广泛的应用。

图1中的实线表示亚稳的Fe-Fe₃C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C系。相图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的，有些线，如Fe₃C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

Fe-Fe₃C相图由包晶、共晶、共析3个基本反应组成。

①包晶反应在1495℃（HJB线）发生，。此时液相L_B（0.53%C），δ铁素体δ_H（0.09%C），奥氏体A_J（0.17%C）三相共存。冷凝时反应的结果形成奥氏体。

②共晶反应在1148℃（ECF线）发生，L_CA_E+Fe₃C。此时液相L_C（4.30%C）、奥氏体A_E（2.11%C）、渗碳体（6.69%C）三相共存。冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，通称为莱氏体。

③在727℃（PSK线）发生共析反应，，此时奥氏体As（0.77%C），铁素体F_P（0.0218%C），渗碳体（6.69%C）三相共存。冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物，通称珠光体。共析反应温度称为温度。

其他几条线的含义如下：①GS线，冷却时奥氏体中开始析出铁素体或加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变线，称温度。②ES线，碳在奥氏体中的溶解度线，称温度。在1148℃时，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，而在727℃时只为0.77%。所以凡是碳含量大于0.77%的铁碳合金，在温度以下时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体，以区别于从液态中析出的一次渗碳体。③PQ线，碳在铁素体中的溶解度线。在727℃时，碳在铁素体中最大溶解度（质量分数）为0.0218%，600℃时为0.0057%，400℃时为0.000 23%，200℃以下时小于0.000 000 7%。碳含量大于0.0218%的合金，在PQ线以下均有析出渗碳体的可能性。通常称此类渗碳体为三次渗碳体。④NJ线，奥氏体转变为δ铁素体线，称温度，纯铁为1394℃，其随碳含量增加而提高。⑤ABCD线，合金的液相线。⑥AHJE线，合金的固相线。

此外，770℃水平线表示铁素体的磁性转变温度，常称为温度。在此温度以下，铁素体呈铁磁性。230℃水平线表示渗碳体的磁性转变温度。磁性转变时不发生晶体结构的变化，转变发生的温度又称居里点。渗碳体在230℃以下呈铁磁性。

铁碳相图是研究碳钢和铸铁的基础。以Fe-Fe₃C相图和碳含量为依图3　Fe-Fe₃C相图基础上绘制的铁碳合金组织图据，可将铁碳合金划分为工业纯铁、钢（亚共析钢、共析钢、过共析钢）和白口铸铁（亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁），见表2。

在Fe-Fe₃C相图基础上绘制的铁碳合金组织图，可用于分析讨论铁碳合金显微组织与合金成分和温度之间的关系。另外，图3为由Fe-C相图和Fe-Fe₃C相图二者叠加形成的复线铁碳相图，也可用于分析含石墨的各类铸铁中的相平衡关系（如灰口铸铁等）。在制定钢铁材料的铸造、锻轧、热处理工艺和分析研究焊接热影响区的显微组织等方面，常需要以铁碳平衡相图为参考依据。此时，还要同时考虑相关的动力学因素，例如加热与冷却速率的附加影响，以及出现非平衡相和非平衡组织形态的可能性，因而需要将铁碳相图和过冷奥氏体转变曲线图等综合运用。习惯上以表示铁碳相图上的临界点，沿用奥斯蒙以法文“加热”的首字母c及“冷却”的首字母r分别标示加热和冷却，表示加热时的临界点，表示冷却时的临界点。

图4　钢的相变临界点的标示

铁碳相图也是研究合金钢的基础，它的许多基本特点即使对于复杂合金钢也具有重要的指导意义。例如，在简单Fe-C二元系中出现的各种相，往往在复杂合金钢中也存在。同时需要考虑钢中合金元素的种类、数量、存在形式和空间分布等对这些相的形成和性质的影响，还需要考虑合金钢中那些在简单铁碳二元系中并不出现的各种特殊相（例如合金碳化物、碳氮化物、金属间化合物等）和一些合金钢中特有的现象。