Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S (табл. 2), называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые - заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C' и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые - заэвтектическими.

Таблица 1

Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов 8-раствора обычно в виде дендритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры -раствора. Стали с 0,1-0,5% С после выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическое превращение Ж + δ → γ. В интервале концентраций 0,10-0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16-0,50% С кристаллизация завершается при охлаждении до температуры линии IE. В Ж. с. с 0,5-4,26% С кристаллизация начинается с выделения γ-раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) γ-раствора, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов:

В первом случае получаются т. н. серые чугуны, во втором - белые, в третьем - половинчатые. В зависимости от условий кристаллизации графит выделяется в виде разветвленных или шаровидных включений, а цементит - в виде монолитных пластин или проросших разветвленным аустенитом. В Ж. с., содержащих более 4,26-4,3% С, кристаллизация переохлажденного ниже линии D'C' расплава в условиях медленного охлаждения начинается с образования первичного графита разветвленной или шаровидной формы. В условиях ускоренного охлаждения (при переохлаждениях ниже линии DC) образуются пластины первичного цементита. При промежуточных скоростях охлаждения выделяются и графит, и цементит. Кристаллизация заэвтектических чугунов, так же как и доэвтектических, завершается распадом остатка жидкости на смесь - раствора с высокоуглеродистыми фазами.

Строение затвердевших железоуглеродистых сплавов существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.