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铁碳相图是材料科学中最重要的相图之一。它描述了铁和碳在不同温度和成分条件下的平衡状态。图中的横轴表示碳含量，纵轴表示温度。相图中包含重要的共晶点和共析点，这些关键点决定了钢铁材料的组织结构和性能。
铁碳相图中包含四种主要的相组织。δ-铁素体是高温下的体心立方结构，存在于高温区域。奥氏体是面心立方结构，具有很强的溶碳能力，在中高温区域稳定存在。α-铁素体是低温下的体心立方结构，溶碳能力很低。渗碳体是碳化铁化合物，质地坚硬但较脆。
铁碳相图中有三个关键的不变点。共析点位于0.77%碳含量和727摄氏度，在此点奥氏体分解为铁素体和渗碳体的混合物。共晶点位于4.3%碳含量和1148摄氏度，液态合金在此点凝固为奥氏体和渗碳体。包晶点位于0.18%碳含量和1495摄氏度，液态合金与δ-铁素体反应生成奥氏体。
铁碳相图被各种相界线划分为不同的相区。单相区包括液态区、δ-铁素体区、奥氏体区和α-铁素体区，在这些区域内只存在一种相。两相区则同时存在两种相，如液态加奥氏体区、奥氏体加铁素体区、奥氏体加渗碳体区等。这种相区划分帮助我们理解不同温度和成分下合金的组织状态。
铁碳相图在工程实践中有广泛应用。首先用于材料成分设计，根据所需性能选择合适的碳含量。低碳钢韧性好，中碳钢强度适中，高碳钢硬度高。其次指导热处理工艺制定，如退火、正火、淬火和回火等。通过控制加热温度和冷却速度，可以预测和控制组织转变，从而优化材料的强度、硬度和韧性等性能。