鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結構及碳在合金中的存在形式有關。

  純鐵有三種同素異構狀態：912℃以下為體心立方晶體結構，稱α-Fe;912～1394℃為面心立方晶體結構，稱γ-Fe;1394℃以上，又呈體心立方結構，稱δ-Fe。在液態，在低于7%碳范圍，碳和鐵可互溶;在固態，碳在鐵中的溶解是有限的，并且溶解度取決于鐵(溶劑)的晶體結構。

  與鐵的三種同素異構物相對應，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(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中的溶解度大，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狀態(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)是亞穩相，它是具有復雜結構的間隙化合物。石墨是鐵碳合金的穩定平衡相，具有簡單六方結構。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。