在大氣壓下，根據溫度的不同，存在三種鐵的同素異形體形式：α 鐵 (α-Fe)、γ 鐵 (γ-Fe) 和 δ 鐵 (δ-Fe)。 在非常高的壓力下，存在第四種形式，稱為ε鐵（ε-Fe）。 一些有爭議的實驗證據表明存在第五種高壓形式，它在非常高的壓力和溫度下穩定。

大氣壓力下鐵的相很重要，因為碳的溶解度不同，形成不同類型的鋼。 鐵的高壓相作為行星核心固體部分的模型很重要。 通常認為地球內核主要由具有 ε 結構的結晶鐵鎳合金組成。 圍繞固體內核的外核被認為是由液態鐵、鎳和微量較輕元素混合而成。

在 912°C（1,674°F）以下，鐵具有體心立方 (bcc) 晶體結構，稱為 α-鐵或鐵素體。 它是熱力學穩定的并且是一種相當軟的金屬。 α-Fe 可以承受高達 ca 的壓力。 15 GPa，然后轉變為下文討論的稱為 ε-Fe 的高壓形式。

磁性方面，α-鐵在高溫下呈順磁性。 然而，低于 771°C（1044K 或 1420°F）的居里溫度（TC 或 A2）時，它會變成鐵磁性的。 過去，α-鐵的順磁性形式被稱為β鐵（β-Fe）。 盡管鐵磁狀態下的輕微四方畸變確實構成了真正的相變，但這種相變的連續性質在鋼熱處理中的重要性并不大。 在圖 1 的相圖中，A2 形成了 β 鐵和 α 場之間的邊界。

同樣，與 A1（共析）、A3 和 Acm 臨界溫度相比，A2 的重要性也不大。 奧氏體與滲碳體 + γ-Fe 處于平衡狀態的 Acm 超出了圖 1 中的右邊緣。從技術上講，α + γ 相場是 A2 上方的 β + γ 場。 β 命名保持了鋼鐵中希臘字母相序的連續性：α-Fe、β-Fe、奧氏體 (γ-Fe)、高溫 δ-Fe 和高壓六鐵 (ε-Fe) .

低碳鋼或低碳鋼和大多數鑄鐵在室溫下的主相是鐵磁性 α-Fe。 它的硬度約為 80 布氏硬度。 碳的xxx溶解度在 727 °C (1,341 °F) 時約為 0.02 wt%，在 0 °C (32 °F) 時約為 0.001%。 當它溶于鐵時，碳原子占據間隙空穴。 大約是四面體孔直徑的兩倍，碳引入了強大的局部應變場。

低碳鋼（碳含量高達約 0.2 wt% 的碳鋼）主要由 α-Fe 和越來越多的滲碳體（Fe3C，一種碳化鐵）組成。 該混合物采用稱為珠光體的層狀結構。 由于貝氏體和珠光體均含有α-Fe成分，任何鐵碳合金如果在室溫下達到平衡，都會含有一定量的α-Fe。 α-Fe 的量取決于冷卻過程。

β-Fe 和 A2 臨界溫度在鋼的感應加熱中很重要，例如表面硬化熱處理。 在淬火和回火之前，鋼通常在 900–1000 °C 下奧氏體化。 感應加熱的高頻交變磁場通過兩種機制將鋼加熱到居里溫度以下：電阻或焦耳 (I2R) 加熱和鐵磁滯后損耗。 在 A2 以上，滯后機制消失，溫度每升高一度所需的能量xxx大于 A2 以下。 可能需要負載匹配電路來改變感應電源中的阻抗以補償變化。

當將鐵加熱到 912°C（1,674°F）以上時，其晶體結構會變為面心立方 (fcc) 晶體結構。 以這種形式，它被稱為伽馬鐵 (γ-Fe) 或奧氏體。 γ-鐵可以溶解更多的碳（在 1,146 °C 時按質量計多達 2.04%）。 這種 γ 形式的碳飽和在不銹鋼中表現出來。

特別是，在 1,394 °C (2,541 °F) 以上時，鐵會變回 bcc 結構，稱為 δ-Fe。 在 1,475 °C 時，δ-鐵可以溶解多達 0.08% 的碳。 它的熔點高達 1,538 °C (2,800 °F)。

在大約 10 GPa 以上的壓力和幾百開爾文或更低的溫度下，α-鐵會變成密排六方 (hcp) 結構，也稱為 ε-鐵或六鐵； 較高溫度的 γ 相也會變成 ε 鐵，但會在較高壓力下發生。 已經觀察到 epsilon-Fe 與 Mn、Os 和 Ru 的合金中的反鐵磁性。