铁碳合金中合金相的形成，与纯铁的晶体结构及碳在合金中的存在形式有关。纯铁有三种同素异构状态：912℃以下为体心立方晶体结构，称α-Fe；912～1394℃为面心立方晶体结构，称γ-Fe；1394℃以上，又呈体心立方结构，称δ-Fe。在液态，在低于7%碳范围，碳和铁可完全互溶；在固态，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁（溶剂）的晶体结构。与铁的三种同素异构物相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体（铁素体）、γ固溶体（奥氏体）和δ固溶体（δ铁素体）。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度，但不超过2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%；而在δ-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（渗碳体，6.69%C）是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。
按含碳量分类
1）小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F，08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐等，20G则是制造普通锅炉的主要材料，此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。
2）0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。
3）大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等，根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
应变时效经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。碳和氮对应变时效的影响，与对淬火时效的影响相似，磷也促进应变时效。低碳钢因冷变形而消失的屈服点，随时间的延长而逐渐恢复。应变时效比淬火时效更为复杂。如钢材经淬火后再进行冷加工，无论在室温或稍高温度下，均将加速其应变时效。
生产性废钢铁
生产性废钢铁一部分是各个使用钢材制造终端使用商品的边角余料；这一部分通过市场交易回到钢铁企业进行再次冶炼。另一部分是各钢铁企业自产的返回废钢铁，是企业内部各个生产单元诸如，车间、分厂在生产过程中下来的边角余料例如：切头、切尾、铸余、废品、试样、钢屑、下脚料等。生产性废钢铁的特点是：质量很好，钢水收得率高，钢种明确，化学成分清楚。管理好这部分废钢铁对于降低生产成本有着重要愈义。但是，随着各个行业的技术进步和对节能降耗降低成本的追求，以及钢铁企业实现转炉（电炉）+全连铸以来，成材率提高，自产返回废钢铁减少，生产性废钢铁趋于减少趋势。