铁碳合金相图是铁-碳二元合金系统的相图。
在加工完的钢和铸铁中，总会含有一定数量的碳元素，这些碳元素所占的比重决定了钢/铸铁的特性。通过铁碳合金相图，人们可以直观的看出（钢铁）形成过程中的组分变化与碳元素含量、温度间的相互关系。
若需要知道在不同冷却速率下的微结构（英语：Microstructure），一般会参考恒温变态图。
碳是铁碳合金中最重要的合金元素，碳含量小幅的变化也可能会对合金的材质或性质有大的影响。铁碳合金相图可以表达温度及碳的浓度对钢铁的影响，不过没有其他金属的资讯。铁碳合金相图可以分为二部分：亚稳定的Fe-Fe3C系统，其中的碳已和铁键结，以及稳定的Fe-C系统，其中碳以石墨的形式存在。铁碳合金相图一般会包括这两个系统，不过Fe-Fe3C系统用到的比较多。
相图中的X轴是碳的含量，Y轴是温度。图中只标示一般比较常用到的部分，也就是碳含量在0%到6.67%的区域（只有少量合金的含量高过此值），碳含量6.67%约对应100%的碳化三铁。相图中代表性的位置用英文字母表示，有些标示方式会省略英文字母I，改用字母J表示。
其中折线ABCD是液相线（英语：Liquidus），在液相线以上的部分为液体。折线AHIECF为固相线，低于固相线的部分为固体。在液相线和固相线之间的是糊状、部分熔化的区域，其中包括δ铁、γ铁和碳化三铁（Fe3C）．有不同的浓度及比例。若合金冷却到液相线下时，会渐渐的结晶。
随着碳含量的不同，铁碳合金中的铁也会出现不同的同素异形体，像分别由δ铁、γ铁及α铁形成的固溶体，对碳就有不同的溶解度，其原因是不同的晶格结构及晶格常数。像铁素体就是由δ铁或α铁形成的固溶体，而奥氏体则以γ铁为主。
珠光体和莱氏体不算是特别的相，只是一种相混合状态（微结构（英语：Microstructure））。珠光体和莱氏体只会出现在稳定，或是亚稳定的系统中，例如缓慢的冷却。若是快速冷却（例如淬火）会形成马氏体，是一种硬脆的结构。以下是在亚稳定的系统中，一些特殊的点、线及现象。
以下是各金相的名称，δ固溶体、γ固溶体及α固溶体分别是指铁素体、奥氏体及铁素体。
铁碳化合物碳化三铁（Fe3C）也是一个相，但和上述铁和碳混合的相不同，碳化三铁是中间相，碳化三铁会以三种不同的形式出现，但其化学成分是一样的。
以下是一些相和相的混合物：
铁碳合金相图中有三个等温过程，分别是包晶（德语：Peritektikum）（线 HIB）、共晶（线 ECF）及共析（德语：Eutektoid）（线 PSK）。
点 H：δ铁素体中，最大碳溶解度的点点 I：包晶 δ+L → γ
当钢加热或是冷却的时候，会出现一些特性不连续变化的情形，主要有以下几点。
配合铁碳合金相图，可以清楚的回答一些有关钢（可锻的铁碳合金，碳含量小于2.6%）及铸铁（不可锻的铁碳合金，碳含量大于2.6%）的特性问题。
基于上述原因，铁碳合金相图是在要了解铁碳合金特性时，很重要的工具。
