自然界存在的固態物質可分為晶體與非晶體兩大類。晶體是經過結晶過程而形成的具有規則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規律周期性重復的排列。與晶體對應的，原子或分子無規則排列，無周期性無對稱性的固體叫非晶體。玻璃是著名的非晶體。 固態的金屬與合金大都是晶體。金屬及合金的晶體結構是決定其物理、化學和力學性能的基本因素之一。
鋼鐵是一類以鐵碳為基本元素的合金體系。在Fe-C體系中，當碳含量小于0.02%叫純鐵，大于2.0%叫生鐵，介于中間的稱為鋼。
純鐵亦稱為熟鐵，有 α、β、γ和δ四種晶體結構，其中α、β、δ為立方體心結構，γ為立方面心結構。
純單質鐵在1538℃結晶后形成立方體心結構，稱為δ鐵；當冷卻到1394℃時，轉變為立方面心結構，稱為γ鐵；繼續冷卻至912℃時，又變成了立方體心結構，稱α鐵。
鋼鐵有四種主要物相：奧氏體、鐵素體、滲碳體與馬氏體。
· ( a ) 奧氏體 Austenite ·
奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙化合物，Fe原子與C原子數目比為27：1，即6~7個立方面心晶胞中才含1個C原子。γ-Fe中的溶碳量，1148℃時為2.11%，727℃時為0.77%。
奧氏體的特點：強度和硬度比鐵素體高，塑性和韌性較好。其晶粒呈多邊形，晶界較鐵素體平直。
· ( b ) 鐵素體 Ferrite ·
鐵素體是碳在α-Fe中的固溶體，含碳量接近純鐵，約0.02%。
鐵素體的特點：其性能與純鐵相似，即強度和硬度很低，塑性、韌性好。顯微組織是明亮的多邊形晶粒。
· ( c ) 滲碳體 Cementite ·
滲碳體是鐵與碳以3：1組成形成的化合物Fe3C，屬正交晶系，每個晶胞中含12個Fe原子和4個C原子，具有復雜的晶體結構。
滲碳體的特點：硬度很高，塑性和韌性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。
· ( d ) 馬氏體 Martensite ·
奧氏體鋼驟冷至150°C以下，變為質地很硬的馬氏體。馬氏體可看作α-Fe中含C達1.6%的過飽和固溶體，為四方晶系。馬氏體分為高碳馬氏體（板條狀馬氏體）和低碳馬氏體（片狀馬氏體）。
馬氏體的特點：硬而脆，韌性很差，內應力較大，容易產生裂紋。
四種物相的穩定性有所不同。室溫下鐵素體和滲碳體是穩定的晶型，奧氏體在高溫時穩定，碳鋼淬火主要獲得馬氏體，馬氏體是不穩定晶型。在鋼中滲入Mn、Ni、Cr等不同成分，可制成不同用途的合金鋼。
非研究人員主要在不銹鋼流通領域較為經常接觸到奧氏體、鐵素體和馬氏體，滲碳體則較少接觸。不銹鋼是在基本物相中添加合金成分而獲得特殊性能的典型合金。
