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。
有的碳素结构钢还添加微量的铝或铌（或其它碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒长大，使钢强化，节约钢材。在中国和某些国家，为适应专业用钢的特殊要求，对普通碳素结构钢的化学成分和性能进行调整，从而发展了一系列普通碳素结构钢的专业用钢（如桥梁、建筑、钢筋、压力容器用钢等）。
按含碳量分类
1）小于0.25%C为低碳钢，其中尤以含碳低于0.10%的08F，08Al等，由于具有很好的深冲性和焊接性而被广泛地用作深冲件如汽车、制罐等，20G则是制造普通锅炉的主要材料，此外，低碳钢也广泛地作为渗碳钢，用于机械制造业。
2）0.25～0.60%C为中碳钢，多在调质状态下使用，制作机械制造工业的零件。
3）大于0.6%C为高碳钢，多用于制造弹簧、齿轮、轧辊等，根据含锰量的不同，又可分为普通含锰量（0.25～0.8%）和较高含锰量（0.7～1.0%和0.9～1.2%）两钢组。锰能改善钢的淬透性，强化铁素体，提高钢的屈服强度、抗拉强度和耐磨性。通常在含锰高的钢的牌号后附加标记“Mn”，如15Mn、20Mn以区别于正常含锰量的碳素钢。
铁碳合金相图的应用
毛坯成型方法有：铸造、焊接、锻压。其中锻压是这三种毛坯成型中综合力学性能的一种。锻压工艺是将坯料加热至奥氏体区域，使其有良好的塑性和低的抗变形性能，在施加外力的情况下改变其尺寸、结构、力学性能的加工方法。在这里可以知道，锻压是碳钢在完全奥氏体化的情况下，其塑性好，有较低的抗变形能力。因此，要使其完全奥氏体化，其温度控制合理，才能够达到要求。从图看线1、线3，分别代表的是亚共析钢、过共析钢组织随温度变化其性能会改变的情况。当亚共析钢加热到727℃时，P开始向A转变。当继续加热至GS的交点a时，F完全转变成A了。此时，塑性变形能力较好，抗变形能力小。温度继续上升，其塑性变形会有提高，但是温度过高，施加压力过程中，会使坯料表面产生加工硬化，同时会伴随有脱碳现象。因此，一般将始锻温度控制在固相线以下200℃左右。终端温度控制在PSK线以上60℃左右。合理控制好锻压温度，既可以保证坯料有良好的锻压性能，能够满足预期形状、尺寸精度要求。同时，可以避免加工硬化带来的内应力裂纹、脱碳现象。铁碳合金由含碳量不同被分为碳钢、铸铁两大类材料，铸铁的铸造性能好，强度硬度高属脆性材料。碳钢铸造性能一般，但综合力学性能较铸铁好。因此，对于结构复杂又承受静载荷零件选择铸铁。对于形状复杂而又要求有一定力学性能承受一定量动载荷的零件，可以考虑用碳钢，或者合金钢。