钢铁显微组织是在金相显微镜或电子显微镜下看到的钢和铸铁中由基本组成单元构成的聚合体。

       用金相显微镜观察时试样表面应磨平抛光，并用适宜的侵蚀剂稍加侵蚀。用电子显微镜观察时，需要进行更加复杂的试样准备工作。金相显微镜最高放大倍数可达2500倍，电子显微镜可放大几十万倍（见光学金相检验）。钢和铸铁都是在铁中加入碳和其他合金元素形成的合金,其中,含碳量为0.77%的钢称为共析钢；含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢；含碳量为0.77～2.11%的钢称为过共析钢；含碳量高于2.11%的称为铸铁。不同含碳量和合金成分的钢或铸铁，其显微组织各不相同。同一成分的钢或铸铁，经过不同的金属热处理后也具有不同的显微组织。不同的显微组织具有不同的性能，因此钢铁可以通过热处理获得不同的性能。钢铁显微组织分析是研究钢铁和评定钢铁制品质量的重要手段。

       固态钢铁中的相相是钢铁显微组织的基本组成单元。图2c中白亮的基体和白色的条状物便是两种不同的相。两种相之间有明显的分界面。同一种相的内部，化学成分、原子排列方式和各种性能基本一致。液态的钢或铸铁中只有一种相，即液相。固态钢铁中可能出现多种不同的相，大致可以把它们分为固溶体和化合物两大类。

       固溶体碳或其他合金元素固溶于铁中形成的固态溶体。固态纯铁在不同的温度范围内有 3种不同的原子排列方式，分别称为α 铁、γ铁和δ铁。碳或其他合金元素溶入α 铁形成的固溶体称为铁素体；溶入 γ铁形成的固溶体称为奥氏体；溶入 δ铁形成的固溶体称为 δ固溶体。与溶液相似，固溶体的溶解度也随温度的升降而增减。

       化合物碳、铁或某些合金元素之间都可以形成化合物。钢铁中最常见的是碳与铁形成的化合物，分子式为Fe3C（含碳6.67%）,称为渗碳体。这种化合物硬度很高，但很脆。

       钢铁在加热或冷却时，其中的一些相会转变为另一些相，即发生相变。在缓慢加热或冷却条件下发生的相变是平衡相变,转变产物是稳定的组织,即平衡组织。快速加热、特别是快速冷却时则会发生不平衡相变，形成不稳定的组织，即不平衡组织。一旦原子有了足够的活动能力而且有足够时间完成某些运动，不平衡组织会重新转变为平衡组织。

       纯铁本身在加热和冷却时会发生液相与δ铁、δ铁与γ铁、γ铁与α 铁3种相互转变。钢和铸铁在加热和冷却时会发生更多种的相变。铁碳合金平衡相图能较全面地反映碳钢和铸铁发生平衡相变的情况。

       铁碳合金平衡相图图1中各条曲线表明含碳量不同的碳钢和铸铁发生各种平衡相变的温度。各曲线之间的区域称为相区。相区中所标符号L、δ、A、F 和Fe3C，分别代表液相、δ固溶体、奥氏体、铁素体和渗碳体。这些相区反映不同含碳量的碳钢和铸铁在不同温度下稳定存在的相。如含碳 0.4%的碳钢在810℃位于奥氏体相区,表明此时这种钢中稳定存在的相只是单一的奥氏体(A)。当这种钢由高温缓慢冷却时,大约在770℃开始发生平衡相变，出现铁素体（F）。冷到727℃时发生新的平衡相变，奥氏体全部消失,转变成铁素体和渗碳体(F+Fe3C)。对这种钢来说，770℃是它的上临界点（用A3或Ac33代表）。727℃是它的下临界点(用A1或 Ac31代表)。金属热处理时常用的临界点如表。

       奥氏体等温转变和连续冷却转变图钢经加热形成奥氏体后，冷却到相变点以下的不同温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生相变，形成不同的相。如果在不同温度等温保持，记下开始相变和终止相变的时间，在以温度为纵坐标，以时间的对数值为横坐标的图上分别联成曲线，就绘成奥氏体等温转变图。这个图的曲线因钢的成分不同而不同，奥氏体化温度和钢的晶粒度对它也有影响。图3是含碳0.77%的共析钢的奥氏体等温转变图。这个曲线图表明了等温处理时，温度、时间和相变量三者之间的关系。

       实际上，钢铁热处理的冷却过程大多是连续进行的。因而，将加热到奥氏体状态的钢以各种不同速度冷却到室温（或室温以下），在冷却中途记取转变开始和终止（或一定转变量）时的温度和时间，就可得到相应的连续冷却转变图。利用这个图就可以预测在不同淬冷介质（不同的冷却速度）中冷却时所获得的不同的相组成。