Węgiel jest podstawowym składnikiem wszystkich stali i stopów żelaza, wywierając na nie bardzo duży wpływ. Węgiel obniża temperaturę przemiany Fe γ → Fe α, umożliwia hartowanie stali, zmniejsza przewodność cieplną, przy wzroście jego zwartości w stali pogarsza się jej spawalność i zgrzewalność. Ze wzrostem węgla, zmienia się struktura stali, stal o zawartości do 0,8% posiada strukturę perlitu i ferrytu, przy 0,8% stal wykazuje strukturę perlityczną, struktura stali zawierającej powyżej 0,8% węgla, składa się z perlitu i cementytu, wydzielonego na granicy ziaren. Zwiększając zwartość węgla w stali, zwiększa się jej twardość, wytrzymałość na rozciąganie, zostaje podniesiona granica jej plastyczności, zmniejsza się natomiast przewężenie, wydłużenie i udarność.
W układzie żelazo – węgiel występują dwa roztwory stałe: ferryt i austenit, związek żelaza z węgłem – cementyt (Fe3C) a także wolny węgiel w postaci grafitu. Jako kolejne składniki strukturalne występują ponadto mieszaniny tych faz: eutektyka złożona z austenitu i cementytu zwana ledeburytem eutektoid składający się z ferrytu i cementytu, określany jako perlit. W układzie stabilnym miejsce cementytu w eutektyce i eutektoidzie zajmuje grafit.
Ferryt jest granicznym roztworem stałym węgla w żelazie α o maksymalnej rozpuszczalności 0,02% węgla w temperaturze eutektoidalnej, zmniejszającej się do 0,008% węgla w temperaturze otoczenia. Rozpuszczanie w ferrycie pierwiastków o małej średnicy, tzw. międzywęzłowych, do których zalicza się C – węgiel, N – azot, H – wodór i bor – B, związane jest ściśle z budową sieci żelaza α. Atomy pierwiastków tworzących roztwory międzywęzłowe rozmieszczają się w tetraedrycznych lub oktaedrycznych lukach sieci regularnej przestrzennie centrycznej. Własności mechaniczne ferrytu są bardzo podobne do własności czystego żelaza α. Charakteryzuje się on małą twardość wynoszącą około 80 HB, zwiększającą się wraz ze zwiększeniem w roztworze zawartości innych składników. Wytrzymałość na rozciąganie Rm = 30 kG/mm2 (300 MN/m2), wydłużenie A10 40%, udarność natomiast w granicach 18 kGm/cm2 (1,8 MJ/m2).
Austenit, tak jak ferrytu, jest roztworem stałym występującym w układzie żelazo-węgiel. Jest to graniczny roztwór stały węgla w żelazie α, o maksymalnej rozpuszczalności 2,06 % węgla w temperaturze eutektycznej 1147°C (w układzie metastabilnym Fe-Fe3C). Dużo większa w porównaniu do ferrytu rozpuszczalność węgla w austenicie wiąże się z własnościami geometrycznymi sieci regularnej płasko-centrycznej. Austenit jest paramagnetyczny, wykazuje niskie przewodnictwo elektryczne i ma ze wszystkich składników strukturalnych największą gęstość. W temperaturze otoczenia charakteryzuje się dobrymi własnościami plastycznymi – wydłużenie A10 = 40-60%, dużą wytrzymałość Rm = 70-80 kG/mm2 (700-800 MN/m2), twardość 200 HB i dużą udarność K = 20-30 kGm/cm2 (2 – 3 MJ/m2).
Cementyt jest związkiem żelaza i węgla, to znaczy, węglikiem żelaza Fe3C o strukturze rombowej. Komórka elementarna cementytu zawiera 12 atomów żelaza i 4 atomy węgla, co odpowiada czterem cząsteczkom Fe3C. Skomplikowana sieć cementytu zapewnia mu znaczną twardość około 700 HB, lecz zarazem i kruchość. Wiązania między atomami żelaza w cementycie mają charakter czysto metaliczny, natomiast wiązania między atomami żelaza i węgla prawdopodobnie są zbliżone do kowalentnych. Przewaga wiązania metalicznego decyduje o własnościach metalicznych, takich jak np. przewodność elektryczna i połysk metaliczny. Do temperatury 210oC zwanej przemianą A0 cementyt jest ferromagnetyczny, a powyżej staje się paramagnetyczny. Gęstość cementytu w temperaturze otoczenia wynosi 7,68 g/cm3, jest więc nieco mniejsza od czystego żelaza. Na osnowie cementytu mogą tworzyć się roztwory stałe różnowęzłowe, w których atomy węgla są zastępowane atomami niemetali, np. azotu, zaś w miejsce atomów żelaza mogą wchodzić atomy innych metali, np. niklu, chromu, molibdenu i innych. Cementyt jest związkiem nietrwałym i w podwyższonej temperaturze rozpada się na węgiel i żelazo. Pod mikroskopem cementyt wykazuje jasne zabarwienie, co bardzo często utrudnia odróżnienie go od ferrytu, chociaż nie wykazuje granic ziarn.
Grafit jest wolną postacią węgla w stabilnym układzie Fe-C. Krystalizuje w układzie heksagonalnym tworząc jakby warstwy atomów. Gęstość grafitu wynosi 2,220 g/cm3, jest zatem trzykrotnie mniejsza od żelaza. Jest to składnik bardzo miękki, gdyż jego twardość w dziesięciostopniowej skali Mohsa wynosi 0,5 – 1. Wytrzymałość na rozciąganie waha się w granicach 2 kG/mm2 (20 MN/m2). Grafit może występować jako pierwotny wydzielany z roztworu ciekłego lub wtórny wydzielany z austenitu. Jako wtórny określa się również grafit powstający z rozpadu cementytu w wyniku długotrwałego wyżarzania lub oddziaływania grafitotwórczych dodatków stopowych do stali.
Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,8% węgla, powstałym podczas przemiany austenitu podczas studzenia. Pod mikroskopem, perlit przy małym powiększeniu przedstawia się, jako szare pola, mieniące się jak masa perłowa i stąd jego nazwa. Przy większym powiększeniu zaznacza się już wyraźnie budowa płytkowa, gdzie twardy, trudno trawiący się cementyt wystaje ponad miękki ferryt. Wewnętrzny układ płytek cementytu i ferrytu można dokładnie ujawnić na mikroskopie elektronowym. Stosunek grubości płytek cementytu do grubości płytek ferrytu wynosi około 1 do 3. Płytki cementytu i ferrytu w perlicie układają się w tzw. wiązki o zmiennej orientacji krystalograficznej, ujawniane przy trawieniu w wyniku przecięcia ich płaszczyzną zgładu pod różnymi kątami. Płytkową postać cementytu w perlicie, jak również siatkę cementytu wtórnego można przeprowadzić w postać ziarnistą przez długotrwałe wyżarzanie zmiękczające lub sferoidyzujące. W podeutektoidalnych stopach żelaza, a szczególnie niskowęglowych stalach, wskutek niedoboru węgla płytki cementytu są mniej wykształcone i perlit często przyjmuje postać pośrednią między perlitem pasemkowym i ziarnistym. Często w tych stopach spotyka się tzw. zdegenerowaną postać perlitu złożonego z wolnych skupisk cementytu w ferrycie. Własności mechaniczne perlitu zależą od postaci i dyspersji tworzących go faz. Perlit pasemkowy powstający w studzonych na powietrzu stopach żelaza ma na ogół Rm – 70-80 kG/mm2 (700-800 MN/m2), Re ok. 40 kG/mm2 (400 MN/m2), A10 – 8%, Z – 20%, twardość ok. 200 HB, K – ok. 4 kGm/cm2 (0,4 MJ/m2).
Ledeburyt jest eutektyczną mieszaniną nasyconych kryształów austenitu zawierającego 2,06% węgla i cementytu. Występuje przy stałym składzie chemicznym 4,3% węgla. Jest trwały w temperaturze eutektycznej (1147°C) i eutektoidalnej (723°C). Poniżej temperatury 723°C istnieje jako ledeburyt przemieniony będący mieszaniną perlitu i cementytu. Ledeburyt odznacza się stosunkowo wysoką twardością – ok. 450 HB, lecz zarazem znaczną kruchością.