要讓碳從固溶體中析出，必須給予足夠的時間，各種組織結構均必須在冷卻速度很慢的情況下才能獲得。在冷卻速度很慢的條件下得到的各種組織稱為“平衡組織”。正由于冷卻速度緩慢，在平衡組織中生成的往往是粗片狀的珠光體。在冷卻速度較快的條件下，生成的珠光體也就比較細密，這跟在同素異構轉變過程中，冷卻速度愈快晶粒愈細的道理一樣，冷卻速度愈快，生成的珠光體就愈細密。細密的珠光體組織其綜合力學性能要比粗片狀珠光體得到更大的改善。

如果過冷度很大，使奧氏體以極快的速度冷卻下來，碳就可能來不及從奧氏體中析出，這樣，雖然奧氏體已迅速轉變為鐵素體，但碳仍然溶于鐵素體內，形成了一種過飽和的固溶體，它在顯微鏡下呈針狀組織，稱為馬氏體。在馬氏體中，過量的碳原子充塞在a-Fe晶格的間隙中，引起品格的脹大和嚴重畸變，故其硬度極高，可達66HRC，而且極脆，塑性與韌性接近于零。

由于馬氏體處于過飽和狀態，很不穩定，只要稍微受熱升溫。原子獲得一定的擴散能力，碳又化合成碳化鐵而析出。這時析出的碳化鐵往往呈點狀或微粒狀，所加的溫度愈高，生成的碳化鐵粒度就愈大，馬氏體的硬、脆特征也隨之逐步消失。此時，其組織結構雖類似于珠光體，但由于碳化鐵成細粒或球狀，以及組織細密，故其力學性能更為優越。