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。
氢在钢中能造成很多严重缺陷，如产生白点、点状偏析、氢脆、表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量，必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝，可减小低碳钢的时效倾向，还可以细化晶粒，提高钢在低温下的韧性，但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍、铬、钼、铜等，含量高时可提高钢的淬透性，但对要求具有高塑性的专用钢，如深冲用钢板，则是不利的。
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。
农业废钢铁
农业废钢铁来源于损坏的各种农业设施如闸、坝、桥、具、工器具等，由于我国农业现代化起步较晚，尚不发达，农业废钢中废铸铁、工具钢较多。