Fe-Fe₃C相图、Fe-C(石墨)相图并存的理论依据

当铁碳合金中的碳量超过在铁液中的溶解度时，多余的碳会以石墨或碳化物形式存在于合金中，因而形成Fe-Fe₃C和Fe-C（石墨）相图。

1  Fe-Fe₃C相图铁和碳可以形成一系列碳化物：除渗碳体Fe₃C（又称θ碳化物）外，还可能存在FeC、Fe₂C、Fe₃C、Fe₄C、Fe₅C₂、Fe₆C、Fe₇C₃、Fe₈C、Fe₂₀C₉、Fe₂₃C及Fe₂₃C₆。其中有很多是过渡相或在有杂质元素时才稳定的化合物，被称做ε碳化物的Fe₂C以及X碳化物的Fe₅C₂，在特定条件下，由θ碳化物转化而成。但是由于θ→X,ε的转化温度（为230℃）低，转变速度很慢，不容易形成Fe₅C₂及Fe₂C。所以在绝大多数情况下，渗碳体Fe₃C的热力学稳定性均比X,ε碳化物高，渗碳体最稳定。另外，渗碳体是间隙型的金属间化合物，碳原子只存在于铁原子的间隙处，形成渗碳体时不需要铁原子从晶核中扩散出去，所以渗碳体的形成并不困难。故将渗碳体作为一种组元看待，由此测定出的铁碳相图即通常广泛应用的Fe-Fe₃C相图。然而，渗碳体本身也不是充分稳定的，在较高温度、长时间保温的条件下，渗碳体会按Fe₃C→3Fe+C_石墨发生分解，形成石墨。相对于石墨而言，渗碳体仍然是个介稳相。说明Fe-Fe₃C相图中的所有转变过程是有条件的，即在冷却速度并非处于无限缓慢下发生，所以是一种相对平衡。因而相图上的组织不是最稳定的，可称之为介稳定相对平衡态。

2  Fe-C（石墨）相图在适当条件下，碳的质量分数为2.14%以上的铁碳合金可以结晶出石墨。碳以石墨形式析出，可以通过渗碳体分解，也可以直接从熔液中结晶或从固溶体中脱溶，然后台金按Fe-C（石墨）相图进行结晶和固态相变。由于石墨的自由能比渗碳体的自由能低得多，故从热力学评价，由石墨组成的Fe-C（石墨）二元相图是最稳定的平衡状态，是最有条件存在的相图。但是，从动力学观点看，按Fe-Fe₃C相图转变也有可能。