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。
碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢，常限制含碳量。
碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强，有时互相抵销。例如：硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。除硫和氧降低强度外，其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
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。
铁路废钢铁
我国的铁路建设发展很快，随着高铁、动车组、铁路提速的大发展，原有的铁路设施与之越来越不相适应。因此，淘汰报废了许许多多的铁路设施，如机车、车厢、道轨等。
这部分废钢铁质量优越，绝大部分是重型料。且化学成分清晰，钢水回收率高。这部分废钢铁是各钢铁企业的抢手货。随着铁路事业的发展，这方面的废钢铁会越来越多，应当引起废钢铁经营者和使用者的关注。来自铁路的废钢有碳素钢和合金钢。