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根據原子在物質內部的排列方式不同，可將物質分為晶體和非晶體兩大類。凡內部原子呈規則排列的物質稱為晶體。所有固態金屬都是晶體。
凡內部原子呈不規則排列的物質稱為非晶體。如：玻璃，松香，瀝青等。電子顯微鏡觀察到晶體內部原子各種規則排列，稱為金屬的晶體結構。晶體內部原子的排列方式稱為晶體結構。金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結合的，稱為金屬鍵。常見純金屬的晶體結構有：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結點。晶胞：能夠完整地反映晶格特徵的最小几何單元。
體心立方晶胞Body Centered Cubic Lattice（BCC）
體心立方晶胞中的原子數為1/8x8+1=2個，緻密度為0.68。體心立方：Cr鉻、W鎢、V釩、Cb鈮、Ta鉭、Mo鉬、鋼鐵（α-Fe、δ-Fe）。
面心立方晶胞Face Centered Cubic Lattice（FCC）
面心立方晶胞中的原子數為1/8x8+1/2x6=4個，緻密度為0.74。
面心立方：Al鋁、Cu銅、Au金、Pb鉛、Ni鎳、Pt鉑、Ag銀、鋼鐵（γ-Fe）。
密排六方晶胞Hexagonal Close Packed Lattice（HCP）
密排六方晶胞中的原子數為1/6x12+1/2x2+3=6個，緻密度為0.74。密排六方：Zn鋅、Mg鎂、Zr鋯、Ca鈣、Co鈷、Mn錳、Ti鈦。衝擊韌度是指材料在外加衝擊載荷作用下斷裂時消耗能量大小的特性。
體心立方晶格的衝擊韌性值會急劇降低，具有脆韌轉變溫度。
實際使用的金屬是由許多晶粒組成的，又叫多晶體。每一晶粒相當於一個單晶體，晶粒內的原子的排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。晶粒之間的界面稱為晶界。
高溫的液態金屬冷卻轉變為固態金屬的過程，是一個結晶過程態，即原子由不規則態（液態）過渡到規則狀態（固態）的過程。結晶過程總是從晶核開始，晶核通常是依附於液態金屬中固態微粒雜質而形成，液體中原子不斷向晶核聚集，使晶核長大；同時液體中又不斷產生新的晶粒，並不斷長大，直至所有的晶粒長大到互接觸，結晶即告結束。實際晶體的原子排列並非完美無缺，由於種種原因使晶體的許多部位的原子排列受到破點缺陷（空位、間隙原子、置換原子）破壞了原子的平衡狀態，引起周圍晶格發生曲，稱晶格畸變。其結果使金屬屈服點、抗拉強度增高，塑性、韌性下降。位錯，晶格中一部分晶體相對於另一部分晶體發生局部滑移，滑移面上滑移區與未滑移區的交界線稱作位錯。位錯的存在則使金屬容易塑性變形，強度降低。
通常把鋼和鑄鐵統稱為鐵碳合金。鐵碳合金是由95％以上鐵和0.05％～4％碳及1％左右雜質元素所組成合金。鐵碳合金相圖又稱鐵碳相圖或鐵碳合金平衡圖，是通過實驗方法建立起來的，表示鐵碳合金在不同成分和溫度下的組織、性能以及他們之間相互關係的圖形。橫坐標：碳的百分含量（0～6.69%），縱坐標：溫度，多條分界線把相圖分成多個區域，每個區域均對應著某一種組織。ACD：液相線、AECF：固相線、GS：A3線、ES：ACM線、ECF：共晶線（1148℃）、PSK：共析線，又稱A1線（727℃）。
顯微組織：F+Fe3CⅢ，鐵素體（F）是呈亮白色的等軸狀晶純鐵的基體組織，主要為白色。鐵素體，晶粒均勻分布（6級），圖中黑色細條為晶界腐蝕線。
碳在α-Fe（低於910℃）中的固溶體，稱鐵素體,用F或α表示。碳在δ-Fe（1390～1535℃之間）中的固溶體，稱δ-鐵素體，用δ表示。α鐵和δ鐵，都是體心立方晶格（有冷脆性的）。鐵素體溶碳量極差，在727℃時為0.02%；室溫時為0.0008%，幾乎為零。金相組織為明亮的多邊形晶粒。其強度和硬度高，具有良好的塑性和韌性，在770℃以下它具有鐵磁性，超過770℃則喪失鐵磁性。晶粒度：常見1～8級。8級細小而均勻、綜合力學性能好。碳熔於γ-Fe中（910~1390℃）的所形成的固溶體。γ-鐵是面心立方晶格。用A表示。奧氏體溶碳能力比鐵素體大，1148℃時達2.11%，在727℃時為0.77%。奧氏體與鐵素體相比，塑性很高，硬度和屈服點較低。在鐵碳合金系中，僅存在於727℃以上的高溫範內，不具有鐵磁性，因此，在軋制、鍛造時常加熱到奧氏體狀態，以提高其塑性。奧氏體組織為不規則多面體晶粒，晶界較鐵素體平直。鐵和碳的金屬化合物，具有複雜的晶格結構。滲碳體的熔化溫度為1600℃，碳含量為6.67％，滲碳體的硬度很高，脆性極大，而塑性和韌性幾乎為零。滲碳體在低溫下弱磁性，高於217℃磁性消失。鐵碳合金含碳量小於2％時，其組織是在鐵素體中散布著滲碳體，是碳素鋼。含碳量大2％時，部分碳以石墨形式存在，稱鑄鐵。抗拉強度和塑性都比碳鋼低。但鑄鐵具有一定消震能力。由於碳在α-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳大部分以滲碳體Fe3C的形式存在。
鋼的基本組織除了奧氏體、鐵素體、滲碳體基本相組成的單相組織外，還有由兩種基本相組成多相組織，即珠光體、萊氏體。珠光體是鐵素體與滲碳體以片層相間排列而成機械混合物。片層間距和片層厚度主要取決於奧氏體分解時的過冷度，據片層厚薄分：粗珠光體P、索氏體S、屈氏體T。在緩慢冷卻的條件下，含碳量為0.77%的鐵碳合金只發生共析反應，其組織是100%珠光體，稱為共析鋼。珠光體的性能介於鐵素體和滲碳體之間，強度和硬度較高，塑性也較好。含碳量大於0.77%的鐵碳合金為過共析鋼，其組織為:P+Fe3C。含碳量小於0.77%的鐵碳合金為亞共析鋼，其組織為:F+P。萊氏體是奧氏體與滲碳體的混合物，萊氏體是一種高溫組織，在高於1148℃時存在，4.3%C。低碳鋼是亞共析鋼，其正常組織是鐵素體F＋珠光體P。碳含量越低，組織中鐵素體F的含量就越多，材料的塑性和韌性就越好，但強度和硬度就隨之降低。強度：當C<0.9％時，隨著C增加，不斷提高；當C>0.9％時，由於滲碳體在晶界呈網狀分布，使鋼的強度下降。
熱處理過程：熱處理過程主要是由加熱、保溫（時間）、冷卻三個階段構成的，溫度和時間是影響熱處理的主要因素，因此熱處理過程都可以用溫度－時間曲線來表述。鋼的冷卻是熱處理的關鍵工序，成分相同的鋼經加熱獲得奧氏體組織後，以不同的速度冷卻時，將獲得不同的力學性能。加熱時，高於合金相圖臨界溫度才發生相變的現象。如圖所示Ac3、Ac1、Acm為加熱時鋼的臨界溫。實際生產中鋼的熱處理的冷卻總是在一定速度條件下進行的，即存在過冷現象，冷卻時理論臨界點與實際臨界點溫度的差值為過冷度。對於同一金屬，冷卻速度越快，成分過冷度也越大。鋼在熱處理過程中，組織變化，一是加熱時，二是冷卻時的轉變：常溫組織系F+P，加熱溫度超過AC1，珠光體P向奧氏體A的轉變，繼續加熱，剩餘鐵素體F向奧氏體A溶解，直至組織為單一奧氏體A。冷卻的目的，是使高溫下的奧氏體A組織隨著溫度的降低發生分解，當緩慢冷卻時，A轉化為F+P；但實際冷卻不是一個緩慢的過程，存在著一定的過冷度，那麼隨著冷卻速度的不同，奧氏體分解的產物的形態、分散度及性能都將發生不同的變化。研究奧氏體轉變過程的冷卻方法有兩種：連續冷卻（與實際相近）和等溫冷卻（奧氏體轉變易於測量）。這個冷卻過程中，更加接近工業生產實際情況，冷卻方式一般為空冷或水冷等快速冷卻方式，如正火、淬火。實際生產中，過冷奧氏體的轉變大多是在連續冷卻過程中進行的，在連續冷卻過程中，只要過冷度與等溫轉變相對應，則所得到的組織與性能也是對應的。這個冷卻過程中，由於存在保溫過程，佔用設備且耗費時間，不利於連續生產，因此常用於保溫溫度較高的退火，以及熱處理理論分析。將溫度在727℃以上，組織為均勻奧氏體的鋼試樣，急冷至727℃以下的某一溫度，然後保持這一溫度不變，經過一段時間，奧氏體開始轉變，再經過一段時間，奧氏體轉變束，整個轉變過程的時間變化範圍可以從幾秒至幾晝夜。將不同溫度下奧氏體轉變開始和結束的時間繪製成曲線，即得到奧氏體等溫轉變曲線，由於曲線形狀像字母C，所以又稱C曲線。備註：Ⅰ：珠光體（P）Ⅱ:西珠光體（S）Ⅲ:極西珠光體（T）Ⅳ：上貝氏體（B上）Ⅴ：下貝式體（B下）Ⅵ：馬氏體（M）實際生產中幾乎不可能得到100%的某一種組織，通常是各種組織的混合形態。碳的影響：在正常加熱條件下，亞共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而左移（亞共析鋼在過冷奧氏體冷卻時發生共析分解，轉變為珠光體類型組織之前就開始析出鐵素體新相）；過共析碳鋼的C曲線隨含碳量的增加而右移。合金元素的影響：除了鈷以外，所有合金元素溶入奧氏體後，都增大其穩定性，使C曲線右移。碳化物形成元素含量較多時，C曲線的形狀也發生改變。加熱溫度和保溫時間的影響：隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，奧氏體的成份更加均勻，作為奧氏體轉變的晶核數量減少，同時奧氏體晶粒長大，晶界面積減少，這些都不利於過冷奧氏體的轉變，提高過冷奧氏體的穩定性，使C曲線右移。將鋼試件加熱到適當的溫度，保溫一定的時間後緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態組織的熱處理工藝，稱為退火。根據材料化學成分和熱處理的目的的不同。退火又可分為完全退火、不完全退火、消除應力退火以及等溫退火、球化退火等。完全退火又稱重結晶退火，其方法是將工件加熱到Ac3以上30～50℃，保溫後在爐內緩慢冷卻。其目的是在於均勻組織，消除應力，降低硬度，改善切削加工性能。主要用於各種亞共析鋼中的碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件，有時也用於焊接結構件。完全退火組織是接近Fe-Fe3C相圖的平衡組織（F+P）。不完全退火是將工件加熱到Ac1以上30～50℃，保溫後緩慢冷卻的方法。其主要目的是降低硬度，改善切削加工性能，消除內應力。消除應力退火（PWHT）是將工件加熱到AC1以下100～200℃，保溫後緩慢冷卻使工件產生塑性變形或蠕變變形帶來的應力鬆弛的方法。其目的是消除焊接、冷變形加工、鑄造、鍛造等加工方法所產生的內應力，同時還能使焊縫的氫較完全地擴散，提高焊縫的抗裂性和韌性，此外改善焊縫及熱影響區。
正火是將工件加熱到Ac3或Acm以上30～50℃，保持一定時間後在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火與退火的目的基本相同，主要是細化晶粒，均勻組織，降低應力。與退火不同的是，正火的冷卻速度較快，過冷度較大，易使組織中珠光體量增多，且珠光體片層厚度減小，所以正火後的鋼強度、硬度、韌性都比退火的鋼高。超聲波檢測一些晶粒粗大的鍛件，會由於鍛件出現聲能衰減，可通過正火處理，使情況得到改善。
淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上（一般情況是：亞共析鋼為Ac3以上30～50℃；過共析鋼為Ac1以上30～50℃），經過適當的保溫後快冷，使奧氏體轉變為馬氏體的過程。目的是通過淬火獲得馬氏體組織，以提高材料硬度和強度，這對於軸承、模具等工件是有益的，但鍋爐壓力容器材料和焊縫的組織中不希望出現馬氏體。火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火使零件表面層比心部具有更高的強度、硬度、耐而心部則具有一定的韌性。如軸承滾子、軸等
回火是將經過淬火的鋼加熱到Ac1以下的適當溫度，保持一定時間，然後用符合要求的方法冷卻（通常是空冷），以獲得所需組織和性能的工藝。回火的目的是降低材料的內應力，提高韌性。通過調整回火溫度，可以獲得不同的度、強度和韌性，以滿足所要求的力學性能。此外回火還可以穩定工件的尺寸，改善加工性能。150℃～250℃低溫回火。得到的回火馬氏體有較高的硬度和耐磨性。主要用於高碳鋼製成的工具、量具、滾珠軸承等低溫回火處理。300℃～450℃中溫回火。得到的回火屈氏體有一定的彈性和韌性，並有較高硬度。主要用於模具、彈簧等中溫回火處理。500℃～680℃高溫回火。得到的回火索氏體具有一定的強度，又有較高的塑性和韌性。淬火加高溫回火的熱處理又稱為「調質處理」。許多機械零件如齒輪、曲軸等均需經過調質處理，一些承壓類特種設備用的低合金高強度鋼板也有採用調質處理的。
把奧氏體不鏽鋼加熱到1050～1100℃（此溫度下碳能在奧氏體中固溶），保溫一定間（約每25mm厚度不小於1小時），然後快速冷卻至427℃以下（要求從925℃至538℃冷卻時間小於3分鐘），以獲得均勻的奧氏體組織，這種方法稱為固溶處理的鉻鎳奧氏體不鏽鋼，其強度和硬度較低而韌性較好，並具有很高的耐腐蝕性和良好的高溫性能。對於含有鈦或鈮的鉻鎳奧氐體不鏽鋼，為防止晶間腐蝕，必須使鋼中的碳全部固定在碳化鈦或碳化鈮中，以此為目的的熱處理稱為穩定化處理。穩定化處理的工藝是：將工件加熱到850～900℃，保溫6小時，在空氣中冷卻或緩冷。
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