處於平衡狀態下物質的組分、物相和外界條件相互關係的幾何描述。又稱為平衡圖或狀態圖。溫度和壓強以外的外界條件（如電場、磁場等）對於複相平衡不發生影響或影響很小，所以相圖通常是以組分、溫度和壓強為變數來繪製的。
相是體系中具有結構及物理和化學性質相同的且與數量無關的任何均勻部分。相與相之間有分介面。平衡時同一相內的成分、溫度和壓力必須是均勻和恒定的。物質處於平衡態時可能是單單相、兩相或多相的。相圖上相的數目由相律（自由度＝組元數－相數＋外界條件數）確定。
分類 分為單元系、二元系、三元系、多元系相圖等。
單元系相圖 用壓強p和溫度T為變量來繪制（圖1）。根據相律單相平衡在一個平面上，如圖1的固相(S)、液相(L)和氣相(G)。兩相平衡在一條曲線上，Oa、Ob和Oc為相應的S–G、S–L和L–G兩相平衡。曲線斜率取決於相變時體積的變化，體積增加斜率為正；冰轉變為水體積變小，斜率為負，如圖1虛線所示。O為S–L–G三相平衡點。
二元系相圖 p、T都是變量時相圖是三維的，其坐標為p、T、x（x為某一組元的重量或摩爾百分數）。這類相圖研究得最多的是當p為1標準大氣壓時的截面。這個截面通常稱為二元系相圖。它的二相平衡區可能是固–氣（升華圖）、液–氣（沸騰圖）、固–液（熔化圖）以及固–固（多型性相變）。為便於說明二元系相圖的基本類型，以熔化圖為例進行描述。
圖1 單元系p–T圖
①互溶體系。二組元之間不形成任何化合物，無論在液態或固態都能以任何比例相互溶解，形成連續互溶體系，如圖2所示。在液相線TA–a–TB以上為液相穩定區，固相線TA–b–TB以下為固相區，在這兩線之間為固–液兩相共存區。水平虛線為聯結平衡兩相的結線。利用結線可計算平衡兩相的相對含量。成分為c固–液兩相在溫度T平衡時的相對含量由杠桿定律測定：S/L=ca/cb。作為這一類型相圖的兩種特殊情況是：一種是兩組元相溶時互使熔點降低，液相線和固相線相切於最低點的最低熔點互溶體系。另一種是兩組元相溶時互使熔點升高，液相線和固相線相切於最高點的最高熔點互溶體系。最高和最低切點成分的合金熔化和凝固，是在同一溫度且固體與液體成分相同的情況下進行的。
圖2 二元互溶體系
②共晶體系。二組元之間不形成化合物，液態完全互溶，固態部分互溶或不互溶。如圖3右邊的AB2-B部分。B部分溶於AB2中，但β相不存在固溶區。def為共晶線，e為三相點，稱共晶點，相應的成分稱為共晶成分。共晶成分的合金在共晶溫度Te結晶，δ和β二相同時析出，形成δ＋β的機械混合物，稱共晶反應，即L＝δ＋β。非共晶成分的液體溫度高於Te結晶時首先析出的是δ相或β相，溫度繼續下降共晶成分的液體在Te結晶。固態也存在類似的相圖，稱共析體系，其反應為S＝δ＋β。
③包晶體系。圖3的左邊A–AB部分液態完全互溶，固態為包晶型的有限固溶體。包晶反應溫度Td：L＋γ＝α三相處於平衡狀態，d為三相點。成分處於bdc范圍的合金冷卻時首先析出γ相。溫度降至Td時成分為b的剩餘液體與γ相作用形成α固溶體。通常的條件下，合金的全部結晶是由α固溶體包著γ相組成的，稱為包晶反應。固態也存在類似的反應，稱為包析反應，即：S＋γ＝α。
④形成化合物的體系。二元相圖中所形成化合物的成分，可以按嚴格的化學配比（圖3），成分為AB的γ相也可以具有一定的成分范圍，如δ相。根據化合物熔化時的狀態，可分為兩類：一類是熔化過程固—液兩相的成分相同，稱為同成分熔化化合物，如γ相。它在相圖上可看成是一個獨立的組元，可與其他組元形成贗二元系相圖。另一類是在一定溫度范圍內熔化，如δ相。熔化時它分解為成分不相同的其他固相（圖3的γ相）和液相，這類化合物稱為非同成分熔化化合物，相圖上它不能看作一個獨立的組元。
圖3 A–B二元系相圖
⑤液相分層體系。液態不完全互溶，固態可具有有限固溶度或形成化合物。其中一個三相平衡線是兩種分層的液體和一個固體的平衡。有兩種體系：一種是分層液相L1與固相（或固溶體）α和另一種液相L2呈平衡，即L1＝α＋L2，稱偏晶反應。另一種是兩種液相L1和L2與化合物γ相呈平衡，即L1＋L2＝γ，稱綜晶反應。此外，還可能存在兩組元不但在液態，同時在固態都不相溶的體系。但對於含氣相的體系，由於氣態各組元完全相混合，不存在這種分層型的相圖。
⑥固態發生多型性相變體系。如圖3的組元A在相變溫度Tα，從低溫相α′轉變為高溫相α。AB2化合物在相變溫度Tδ，從低溫相δ′轉變為高溫相δ。由於δ相是具有一定成分范圍的固溶體，它的相變溫度隨成分而異，如δ相區內虛線所示。
特別是在金屬體系，實際上通常具有復雜的相圖形式，但不管多麼復雜，總可把它們分解成以上基本類型加以認識。
壓強變化時不僅相圖的相界位置可能發生變化，相圖的類型也可發生變化。相圖類型發生變化的可能性表明，相圖之間不存在不可逾越的分界線，它們是相互聯系的，而且在壓力作用下還可能出現新的化合物和亞穩相。
三元系相圖 壓強p不變時相圖是三維的。它是正三角棱柱體，其基底是濃度三角，高為溫度軸。濃度三角的頂點表示A，B，C組元，三條邊相應於A–B、B–C和C–A三個二元系。三角形的內部不同的點表示由A，B，C三種組元形成的三元合金，它的成分可用平行線法和重心法確定。
三元系相圖在平面上主要有兩種類型的表示法：橫截面表示法和縱截面表示法。前者常用的有與濃度三角形平衡的不同溫度的等溫橫截面圖，固相線下所有的相投影到濃度三角形上的相關系圖，以及將液相面的等溫線或液相線投影到濃度三角形基面上的液相投影圖三種圖示方法。後者是垂直於濃度三角形基面，以溫度為縱坐標的縱截面圖。如果縱截面圖通過某一化合物和濃度三角形的一個頂點組元或通過兩個化合物，則這樣的縱截面圖稱為贗二元系，可按二元系處理。如果通過兩個實際應用所需要的成分，則這樣的縱截面圖的相區關系不遵守相律。
多元系相圖 這種相圖十分復雜，研究的隻是某些具有重要應用價值的很小的組分范圍。相關系的圖示需用特殊的方法來描述。最常見的是基於多組元的拓撲分析理論。
測定 分實驗方法和計算方法兩種：
實驗方法 廣泛使用的相圖主要是用實驗方法測定的，包括動態法和靜態法。原則上一切隨成分和外界條件（包括溫度、壓力等）而變化的物理和化學性質都可作為測定相圖的依據。但最可靠和最常用的方法有X射線結構分析、熱學分析、顯微分析等，因為它們可揭示物相的結構和熱力學的穩定性。由於各種實驗方法都具有其靈敏度和可適用的實驗條件，不同的實驗方法應該互補，才能避免確定相界時可能發生的偏差。
計算方法 如果體系中各相的自由能與溫度、壓強、成分的關系已知，則可根據自由能最小的原理構築相圖。但由於早期缺乏準確的熱力學數據和理論上如何正確表達自由能，以及數學計算的復雜性，影響瞭計算相圖工作的進展。隨著計算技術的發展和計算機的應用，以及自由能表達式的完善，相圖計算可繞過高壓、高溫、強腐蝕性體系對容器的選擇等實驗困難，而且從實驗容易測準的部分可獲得體系優化的熱力學表達式，計算出難以實驗測定的部分，從而使計算相圖成為構築相圖的重要方法，在材料科學中已獲得廣泛的應用。
應用 相圖在材料科學中得到廣泛的應用，它可提供有關體系的物理化學過程，什麼組分在什麼條件下應出現什麼相。可根據相圖提高和改善材料的性能，正確確定材料的合成和熱處理工藝。對於單晶體生長，相圖可幫助選擇晶體生長的方法，確定配料成分，以及提高晶體完整性的工藝等。在探索新材料時，相圖研究可發現新的化合物，提供物質的組分、結構和性能相互關系的豐富資料。