鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應(yīng)用多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業(yè)鐵碳合金材料。鋼鐵材料適用范圍廣闊的原因，首先在于可用的成分跨度大，從近于無碳的工業(yè)純鐵到含碳4%左右的鑄鐵，在此范圍內(nèi)合金的相結(jié)構(gòu)和微觀組織都發(fā)生很大的變化；另外，還在于可采用各種熱加工工藝，尤其金屬熱處理技術(shù)，大幅度地改變某一成分合金的組織和性能。

鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結(jié)構(gòu)及碳在合金中的存在形式有關(guān)。純鐵有三種同素異構(gòu)狀態(tài)：912℃以下為體心立方晶體結(jié)構(gòu)，稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，稱γ-Fe；1394℃以上，又呈體心立方結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。與鐵的三種同素異構(gòu)物相對應(yīng)，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(yuǎn)比鐵原子為小，在固溶體中它處于點(diǎn)陣的間隙位置，造成點(diǎn)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(dāng)鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質(zhì)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(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。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。

碳素工具鋼含碳量在0.65～1.35%之間，經(jīng)熱處理后可得到高硬度和高耐磨性，主要用于制造各種工具、刃具、模具和量具（見工具鋼）。

含碳量在2.11%時(shí)，作為鑄鐵和碳鋼的黃金分割點(diǎn)。碳含量在2.11%之前為碳鋼。碳含量在2.11%之后為鑄鐵。而碳含量在0.0218%至0.77%之間稱為亞共析鋼，0.77%至2.11%之間稱為過共析鋼。含碳量為0.77%為共析鋼。碳含量在2.11%至4.3%，稱為亞共晶白口鑄鐵，碳含量在4.3%至6.69%之間稱為過共晶白口鑄鐵。碳含量在4.3%為共晶白口鑄鐵。

碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經(jīng)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(shí)，熱加工可破壞鑄態(tài)組織、細(xì)化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態(tài)具有更好的力學(xué)性能。經(jīng)冷加工的鋼，隨著冷塑性變形程度增大，強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性降低。為提高成材率，廣泛應(yīng)用連續(xù)鑄鋼工藝。