Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0,025%, называют технически чистым железом. Его структура состоит из светлых зёрен феррита, разделённых границами тёмного цвета. Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод от 0,025 до 2,14%, называются сталями.
Микроструктура углеродистых сталей, полученная после медленного охлаждения (отжига), характеризуется равновесным состоянием, т.е. состоянием, при котором все диффузионные процессы в сплаве полностью завершены. Эта микроструктура может быть определена по левой нижней части диаграммы состояния «железо-цементит» (рисунок 1).

Рисунок 1 - «Стальной» участок диаграммы состояния сплавов «железо-цементит» («железо-углерод»)

Рисунок 2 - Схемы микроструктур углеродистых сталей в равновесном состоянии

По структуре в равновесном (отожженном) состоянии в зависимости от содержания углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,025 до 0,8% углерода и имеют структуру, состоящую из феррита (светлые зёрна) и перлита (тёмные зёрна). Количество перлита в стали изменяется пропорционально содержанию углерода, (рисунок 2).
Эвтектоидная сталь содержит 0,8% углерода. Структура стали, состоит из зёрен перлита ( эвтектоида ), а зёрна перлита (механическая смесь перлита и цементита) – из чередующихся пластинок феррита и цементита. Такой перлит называется пластинчатым в отличие от зернистого перлита, в котором кристаллики цементита имеют округлую форму (рисунок 2).
Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% углерода. Структура стали, состоит из зёрен перлита, окружённых сеткой (оболочкой) вторичного цементита, имеющего белый цвет. Ширина цементитной сетки изменяется пропорционально содержанию углерода. Выделение вторичного цементита по границам зерен перлита нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью и плохо обрабатывается резанием
По структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можно с достаточной, для практических целей точностью определить процентное содержание углерода, а затем установить примерную марку стали. Этот метод основан на определении величины площадей, занимаемых на микрошлифе ферритом, перлитом и цементитом с последующим расчетом процентного содержания углерода. Принимают содержание углерода в феррите равным нулю, в 100% перлита – 0,8%, а в 100% цементита – 6,67%.
Например, пусть в доэвтектоидной стали перлит занимает примерно 30% всей площади микрошлифа, а феррит – 70% (рисунок 2). Тогда содержание углерода в стали можно определить из пропорции:

Такое содержание углерода в среднем имеет углеродистая конструкционная, качественная сталь марки 25 (ГОСТ 1050-88). Марки углеродистой конструкционной и инструментальной стали и их химический состав приводятся в таблице 1 и 2. Определение содержания углерода по структуре заэвтектоидной стали приводит к большой погрешности вследствие трудности оценки величины площади, занимаемым вторичным цементитом.

Таблица 1 Марки и химический состав углеродистой конструкционной качественной стали по ГОСТ 1050-88.

Примечания:
1. В обозначении марки стали цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления сталь обозначают: кп – кипящая, пс – полуспокойная, без индекса – спокойная.
2. В стали всех марок содержание серы допускается не более 0,040%, фосфора – не более 0,035%.

Таблица 2 Марки и химический состав углеродистой инструментальной стали по ГОСТ 1435-74.

Примечания:
1. К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А.
К группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов - относятся марки стали с буквой А.
2. Буквы и цифры в обозначении марок означают:
У – углеродистая, следующая за ней цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента.
Г – повышенное содержание марганца.