平衡相图可用于描述不锈钢的相变和相的稳定性。这里介绍Fe-Cr二元系和
Fe-Cr-C和Fe-Cr-C三元系相图。把这些相图用于各种类型的不锈钢可以预测微观组织的演变。然而这些相图只能近似地预测焊缝中形成的实际微观组织，这是因为：①不锈钢母材和填充金属含有高达十种合金元素，标准的相图很难与其相匹配；②相图是基于平衡条件绘制的，而焊接时快速加热和冷却形成了明显的非平衡条件。
经典相图的某些局限性已经被克服，这是通过用大型计算程序以热力学的知识来建立常用合金系的相图来实现的。这些计算程序和得到的相图的准确性决定于其输入数据的准确性，然而对于铁基合金是可以提供合格的精确度的。
一、铁-铬系
因为铬是不锈钢的主要合金元素，所以把图1所示的铁-铬系相图作为讨论不锈钢相平衡的起点。注意相图中Cr在高温时全部溶于铁中，所有Fe-Cr合金凝固时都生成铁素体。而凝固温度区间很窄。对低铬含量的合金在912～1394℃ 温度区间形成一个奥氏体区，通常被称为γ相回线。铬的质量分数高于12.7％的合金在高温时全是铁素体，而铬的质量分数低于12.7％的合金在这个γ相回线温度范围内多多少少要形成一些奥氏体。而铬的质量分数低于12％的合金在此回线的温度范围内将是全奥氏体组织，形成的奥氏体在快速冷却时可转变成马氏体。在Fe-Cr系中存在一种称为σ相的低温平衡相，这种相是具有（Fe，Cr）化
学配比的四方晶体。σ相在w（Cr）超过20％的合金中形成得最快，但是由于σ
相是在低温下形成的，其形成的动力学过程十分迟缓，在600～800℃ 温度范围内析出需要较长时间。因为σ相是一种既硬又脆的相，在不锈钢中经常不希望其存在。
图1 Fe-Cr平衡相图
（引自《金属手册》，原始出处为Hansen，由McGraw-Hill授权。）
在Fe-Cr相图中，在σ＋α相区里有一条475℃的水平虚线，在此温度下，由于在α母体中形成了一种共格的富铬析出物而使合金脆化，被称为475℃脆化。这种析出物被称为α′相，α′相实际上是在400～540℃温度范围内形成的，在铬的质量分数高于14％的合金中具有严重的脆化效应。α′相的形成也很缓慢，加入合金元素会加速其形成。
二、铁-铬-碳系
把碳加入铁-铬系，显著改变了平衡相图使其复杂化。由于碳是奥氏体形成
元素，它使γ相回线区扩大，即在铬含量高得多的成分下仍使奥氏体在高温区保持稳定。图2示出了碳对扩大奥氏体相区的影响，请注意即使很少的碳含量，也可使γ相回线区显著地扩大，这对于开发马氏体钢很重要，因为要在冷却时形成马氏体，则在高温时钢必须是奥氏体。而对于铁素体类钢，γ相回线面积必须予以控制，使得高温时没有或者只有很少奥氏体存在。
图2 碳对奥氏体相区扩张的影响
（引自Baerlacken等）
为了可以观察Fe-Cr-C三元系随温度的变化，需要把其中一个成分设为固定
值，用这种方法可以建立一种伪二元相图或者叫等成分面。这种相图之所以称为伪二元相图是因为它只示出了一个三维系统中的二维投影，因此它不能像二维相图那样使用。例如在伪二元相图中相界线之间的连接线就不能用来预测相的平衡组分，因为这种相图还有“深度”（即连接线不一定就在伪二元相图所在的平面上）。然而它们在理解三元系中相的转变和平衡方面是很有用的。图3示出了Fe-Cr-C三元系中w（Cr）＝13％和17％的两个合金系的Fe-C伪二元相图。
这些相图比简单的Fe-Cr相图要复杂得多，这主要是因为加入了碳元素和出
现了附加的二相和三相区，由于加了碳，在相图中还出现了两种不同的碳化物
（Cr，Fe）23C6和（Cr，Fe）7C3。
图３ Fe-Cr-C伪二元相图
ａ）w（Cr）＝13％ ｂ）w（Cr）＝17％
C1― （Cr，Fe）23C6碳化物 C2― （Cr，Fe）7C3碳化物
（引自Castro和Tricot）
对于铬含量低的铁素体和马氏体不锈钢，w（Cr）＝13％的伪二元相图可以用来解释相的稳定和微观组织。在碳含量很低时［w（C）低于0.1％］，这种三元合金在高温时是完全的铁素体组织，如果冷却速度足够快，则合金会把初始铁素体保留下来。对于w（Cr）＝13％的相图，这就是形成低铬铁素体不锈钢如409型钢的基础。
当碳的质量分数高于0.1％时，在高温时将形成奥氏体，在刚刚低于固相线
的温度范围内是奥氏体和铁素体的混合组织，在冷却到低于1200℃时组织变成全奥氏体。随后当冷速足够快时会转变为马氏体，这就是低铬马氏体不锈钢如410型钢形成的基础。在碳的质量分数较低（0.05％） 的钢中，高温时可以出现奥氏体和铁素体混合组织，从而在快速冷却时得到含有铁素体和马氏体的混合组织，由于这种组织的力学性能较差，所以是不希望得到的。
在高铬含量的Fe-Cr-C系合金中，由图3b w（Cr）＝17％的伪二元相图中可以看到铁素体相区扩大，奥氏体相区缩小。这是由于铁素体形成元素铬的作用。这时在高温形成的铁素体就更为稳定，而要形成高温奥氏体就必须含有更多的碳。这就是形成中铬铁素体钢如430型钢和中铬、高碳马氏体钢如440型钢的基础。
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