Wykres fazowy Fe - Fe₃C (żelazo węgiel) stanowi podstawę do dyskusji nad mikrostrukturami stali. Układ ten obejmuje stopy żelaza z węglem do zawartości 6,67 % węgla, co odpowiada zawartości węgla w cementycie. Dalsza część układu równowagi nie została dokładnie zbadana, ponieważ stopy o większej zawartości węgla nie przedstawiają praktycznie znaczenia, a badanie ich jest utrudnione. Podana postać układu jest wynikiem badań wielu uczonych, które zapoczątkował uczony rosyjski D. K. Czernow w 1868roku wykrywając temperatury krystaliczne stali i ich zależności od zawartości węgla. Na podstawie tego układu, stopy żelaza z węglem dzieli się na stale (do 2 % węgla) oraz żeliwa (surówki 2 - 6,67 % węgla).

W stopach żelazo - węgiel w stanie równowagi występują następujące składniki strukturalne:

1. Ciekły roztwór węgla w żelazie,

2. Ferryt; jest to roztwór stały węgla w żelazie α krystalizujący w układzie regularnym przestrzennie centrowanym. Jest to prawie czyste żelazo. Rozpuszczalność węgla w żelazie α w temperaturze eutektoidalnej (723^o C) wynosi 0,02 %, a w temperaturach normalnych - 0,008 %. Do temperatury 770^o C ferryt jest ferromagnetyczny, a w wyższych temperaturach jest paramagnetyczny.

3. Austenit; jest to roztwór stały węgla w żelazie γ, krystalizujący w układzie regularnym płasko centrowanym. Maksymalna rozpuszczalność węgla w żelazie γw temperaturze 1147^o C wynosi około 2,11 % z obniżeniem temperatury zmniejsza się do około 0,8 % w 723^o C. W stalach węglowych austenit jest trwały powyżej 723^o C, jest paramagnetyczny.

4. Cementyt; rozróżnia się następujące rodzaje cementytu: pierwotny krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie zgodnie ze zmianą rozpuszczalności według linii DC, wtórny - wydzielający się w stanie ciekłym z austenitu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie γ według linii ES i trzeciorzędowy - wydzielający się z ferrytu na skutek malejącej rozpuszczalności węgla w żelazie α według linii PQ.

5. Perlit; jest to eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu, zawierająca 0,8 % węgla (tj. 87 % ferrytu oraz 13 % cementytu). Powstaje z rozkładu austenitu w temperaturze 723^o C. W stalach wolno chłodzonych ma on budowę pasemkową w postaci na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu.

6. Ledeburyt; jest to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu, tworząca się przy krzepnięciu z cieczy o zawartości 4,3 % węgla w temperaturze 1147^o C. Po ochłodzeniu do temperatury 723^o C austenit ledeburytu przemienia się w perlit, tak że poniżej tej temperatury występuje mieszanina perlitu i cementytu, przy czym zasadniczy charakter ledeburytu zostaje zachowany; taka eutektyka nosi nazwę ledeburytu przemienionego.

Oznaczenia linii na wykresie układu przedstawia się nastepująco:

AB - likwidus, początek wydzielania się kryształów ferrytu δ, określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek krystalizacji ferrytu δ;

BC - likwidus, początek wydzielania się kryształów austenitu, określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek krystalizacji austenitu;

DC - likwidus, początek wydzielania się kryształów cementytu pierwotnego, określa zmienną zawartość węgla w fazie ciekłej na skutek krystalizacji cementytu;

AH - solidus, koniec krzepnięcia ferrytu δ, określa skład chemiczny kryształów ferrytu δ;

HB - linia przemiany perytektycznej;

JE - solidus, koniec krzepnięcia austenitu, określa skład chemiczny kryształów austenitu;

DF - solidus, odpowiadający wydzielaniu się z cieczy kryształów cementytu pierwotnego;

ECF - linia krzepnięcia eutektyki ledeburycznej;

HN - początek przemiany alotropowej ferrytu δ w austenit, określa zmienną zawartość węgla w ferrycie na skutek krystalizacji austenitu;

JN - koniec przemiany ferrytu δ w austenit, charakteryzuje zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek przemiany ferrytu w austenit;

ES - początek wydzielania się cementytu wtórnego, określa zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek krystalizacji cementytu;

GS - początek przemiany alotropowej austenitu w ferryt, określa zmienną zawartość węgla w austenicie na skutek krystalizacji ferrytu;

GP - koniec przemiany alotropowej austenitu w ferryt, określa zmienną zawartość wegla w kryształach ferrytu, powstających w wyniku przemiany alotropowej;

PSK - linia przemiany eutektoidalnej (perlitycznej);

PQ - początek wydzielania się cementytu trzeciorzędowego, określa zmienną zawartość węgla w ferrycie na skutek wydzielania się cementytu trzeciorzędowego;

Przemiany zachodzące w stałych temperaturach w stopach żelazo - węgiel;

Przemiana perytektyczna (1485^oC) wg linii HB

α(δ)_H + L_B <chłodzenie, nagrzewanie> γ_J

Ferryt wysokotemperaturowy o składzie z punktu H i ciecz o składzie z punktu B w wyniku chłodzenia, w temperaturze 1485^oC zmienia swoją postać i staje się austenitem o składzie punkt J (i na odwrót).

Przemiana eutektyczna (1147^oC) wg linii EF

L_C <chłodzenie, nagrzewanie> γ_E + Fe ₃ C

Ciecz o składzie z punktu C w wyniku chłodzenia, w temperaturze 1147^oC zmienia swoją postać i staje się mieszaniną austenitu i cementytu (i na odwrót).

Przemiana eutektoidalna (727^oC) wg linii PK

γ_S <chłodzenie, nagrzewanie>α_P + Fe ₃ C

Austenit o składzie z punktu S w wyniku chłodzenia, w temperaturze 727^oC zmienia swoją postać i staje się mieszaniną ferrytu i cementytu (i na odwrót).

STOP I o zawartości węgla 0,3 % (Stal konstrukcyjna)

Stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze około 1515^o C (punkt I₁). Z ciekłego roztworu o zmieniającym się składzie chemicznym wzdłuż linii 5-B wydzielają się kryształy ferrytu δ o składzie 6-H.

W temperaturze 1485^o C zachodzi reakcja perytektyczna pomiędzy cieczą B a kryształami ferrytu H, w której wyniku powstają kryształy austenitu J, przy czym w tym przypadku reakcja trwa aż do całkowitego wyczerpania ferrytu H. Przy dalszym chłodzeniu z cieczy B-8 wydzielają się kryształy austenitu o składzie chemicznym zmieniającym się wzdłuż linii J-7. Pomiędzy temperaturami odpowiadającymi punktom I₂ - I₃ żadne przemiany nie zachodzą. Poniżej temperatury około 810^o C z kryształów austenitu o zmieniającym się składzie chemicznym wzdłuż linii I₃-S, wydzielają się kryształy ferrytu (o zmieniającym się składzie chemicznym wzdłuż linii I₄-P) paramagnetycznego do temperatury 770^o C i ferromagnetycznego w temperaturach niższych. W temperaturze 723^o C zachodzi przemiana eutektoidalna. Tworzy się mieszanina ferrytu i perlitu.

STOP II o zawartości węgla 5 % (żeliwo białe)

Stop ten zaczyna krzepnąć w temperaturze około 1200^o C. Z cieczy o składzie chemicznym zmieniającym się wzdłuż linii II₁-C wydziela się cementyt pierwotny. W temperaturze 1147^o C reszta cieczy o składzie punktu C krzepnie, tworząc mieszaninę eutektyczną, tj. ledeburyt, a w temperaturze 723^o C austenit ledeburyczny o składzie punktu S rozkłada się na perlit i taki ledeburyt nosi nazwę ledeburytu przemienionego.

---