鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結構及碳在合金中的存在形式有關。純鐵有三種同素異構狀態(tài)：912℃以下為體心立方晶體結構，稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結構，稱γ-Fe；1394℃以上，又呈體心立方結構，稱δ-Fe。在液態(tài)，在低于7%碳范圍，碳和鐵可完全互溶；在固態(tài)，碳在鐵中的溶解是有限的，并且溶解度取決于鐵（溶劑）的晶體結構。與鐵的三種同素異構物相對應，碳在鐵中形成的固溶體有三種：α固溶體（鐵素體）、γ固溶體（奧氏體）和δ固溶體（δ鐵素體）。這些固溶體中，鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸遠比鐵原子為小，在固溶體中它處于點陣的間隙位置，造成點陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度，但不超過2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%；而在δ-Fe中不超過0.09%。當鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時，多余的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質狀態(tài)（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（滲碳體，6.69%C）是亞穩(wěn)相，它是具有復雜結構的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩(wěn)定平衡相，具有簡單六方結構。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩(wěn)定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。

碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工，鋼錠中的小氣泡、疏松等缺陷被焊合起來，使鋼的組織致密。同時，熱加工可破壞鑄態(tài)組織、細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態(tài)具有更好的力學性能。經冷加工的鋼，隨著冷塑性變形程度增大，強度和硬度增加，塑性和韌性降低。為提高成材率，廣泛應用連續(xù)鑄鋼工藝。

碳素鋼的時效常給工業(yè)生產帶來很大危害，例如沸騰鋼焊接后，由于時效使焊接接頭熱影響區(qū)出現細小裂紋，嚴重影響焊接結構的性。但由于近代冶金技術的發(fā)展，和在工業(yè)生產中的應用，尤其是氧氣轉爐煉鋼能獲得更低的氮、氧含量，因此時效問題有所減輕。

鐵路廢鋼鐵

我國的鐵路建設發(fā)展很快，隨著高鐵、動車組、鐵路提速的大發(fā)展，原有的鐵路設施與之越來越不相適應。因此，淘汰報廢了許許多多的鐵路設施，如機車、車廂、道軌等。

這部分廢鋼鐵質量優(yōu)越，絕大部分是重型料。且化學成分清晰，鋼水回收率高。這部分廢鋼鐵是各鋼鐵企業(yè)的搶手貨。隨著鐵路事業(yè)的發(fā)展，這方面的廢鋼鐵會越來越多，應當引起廢鋼鐵經營者和使用者的關注。來自鐵路的廢鋼有碳素鋼和合金鋼。