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。
碳素钢有各种分类方法，如按化学成分（即以含碳量）可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。按钢的品质可分为普通碳素钢和优质碳素钢。按用途则又可分为碳素结构钢、碳素工具钢。此外，还可以按冶炼方法和所保证的性能要求等来进行分类。
普通碳素结构钢又称普通碳素钢，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其它残余元素含量的限制较宽。在中国和某些国家根据交货的保证条件又分为三类：甲类钢（A类钢）是保证力学性能的钢。乙类钢（B类钢）是保证化学成分的钢。特类钢（C类钢）是既保证力学性能又保证化学成分的钢，常用于制造较重要的结构件。中国生产和使用多的是含碳量在0.20%左右的A3钢（甲类3号钢），主要用于工程结构。
碳素钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下，随含碳量的增加，钢的强度和硬度升高，而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢，常限制含碳量。
碳素钢中的残余元素和杂质元素如锰、硅、镍、磷、硫、氧、氮等，对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强，有时互相抵销。例如：硫、氧、氮都能增加钢的热脆性，而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰、镍外都降低钢的冲击韧性，增加冷脆性。除硫和氧降低强度外，其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
矿山废钢铁
我国矿产资源丰富，特别是煤的产量居世界，煤的贮存量位居世界第三，产煤的历史较长，因此，这方面淘汰下来的废钢铁很多。煤矿是高风险行业，设备淘汰更新较快，同样也是废钢铁产生较多的地方。例如，各种液压支架、巷道支架、运输车辆，各种采掘机械工器具等。这类废钢铁也是优质废钢铁。矿山废钢的特点是重型料多、合金钢多。