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。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，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（8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δ6-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(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。