自然界存在的固态物质可分为晶体与非晶体两大类。晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶体。玻璃是著名的非晶体。

固态的金属与合金大都是晶体。金属及合金的晶体结构是决定其物理、化学和力学性能的基本因素之一。

钢铁是一类以铁碳为基本元素的合金体系。在Fe-C体系中，当碳含量小于0.02%叫纯铁，大于2.0%叫生铁，介于中间的称为钢。

纯铁亦称为熟铁，有 α、β、γ和δ四种晶体结构，其中α、β、δ为立方体心结构，γ为立方面心结构。

纯单质铁在1538℃结晶后形成立方体心结构，称为δ铁；当冷却到1394℃时，转变为立方面心结构，称为γ铁；继续冷却至912℃时，又变成了立方体心结构，称α铁。

钢铁有四种主要物相：奥氏体、铁素体、渗碳体与马氏体。

a 奥氏体 Austenite 

奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙化合物，Fe原子与C原子数目比为27：1，即6~7个立方面心晶胞中才含1个C原子。γ-Fe中的溶碳量，1148℃时为2.11%，727℃时为0.77%。

奥氏体的特点：强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性较好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。

b 铁素体 Ferrite 

铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，含碳量接近纯铁，约0.02%。

铁素体的特点：其性能与纯铁相似，即强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。

c 渗碳体 Cementite 

渗碳体是铁与碳以3：1组成形成的化合物Fe3C，属正交晶系，每个晶胞中含12个Fe原子和4个C原子，具有复杂的晶体结构。

渗碳体的特点：硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。

d 马氏体 Martensite 

奥氏体钢骤冷至150°C以下，变为质地很硬的马氏体。马氏体可看作α-Fe中含C达1.6%的过饱和固溶体，为四方晶系。马氏体分为高碳马氏体（板条状马氏体和低碳马氏体（片状马氏体。

马氏体的特点：硬而脆，韧性很差，内应力较大，容易产生裂纹。

四种物相的稳定性有所不同。室温下铁素体和渗碳体是稳定的晶型，奥氏体在高温时稳定，碳钢淬火主要获得马氏体，马氏体是不稳定晶型。在钢中渗入Mn、Ni、Cr等不同成分，可制成不同用途的合金钢。

非研究人员主要在不锈钢流通领域较为经常接触到奥氏体、铁素体和马氏体，渗碳体则较少接触。不锈钢是在基本物相中添加合金成分而获得特殊性能的典型合金。