鐵碳合金的奧氏體具有很寬的碳含量範圍，所形成的馬氏體在晶體學特性、亞結構和金相形貌方面差別很大。
晶體結構 低碳馬氏體為體心立方結構，中、高碳為體心正方結構。碳原子的固溶為間隙式，處於八面體間隙之中。如圖1A中×號所示，三坐標方向的面心位置是具有代表性的三種八面體間隙中心，構成了體心晶格中的三套亞點陣，分別以1/2[001]、1/2[010]、1/2[100]表示，每單位晶胞中有六個八面體間隙分屬這三套亞點陣。體心立方晶格的八面體是非等軸的，以1/2[001]八面體(圖1B)為例，間隙在[001]方向(圖1的c方向)的尺寸不但小於[110]，即圖1B水平正方形的對角線方向的尺寸，而且也小於碳原子直徑。碳原子的溶入將增加c方向的原子間距，由於彈性效應，a,b方向的間隙將略為縮小。碳原子在馬氏體中並非均勻地分配在三套亞點陣中，而是選擇其中一套，因此造成了晶格的正方性。馬氏體晶格常數c、a(b)與碳含量的關係見圖2。
對於低碳馬氏體，由於碳原子偏聚於位錯線，形成位錯氣團(柯垂耳氣團)，故正方性消失，成為立方馬氏體。因而圖2中的曲線只對碳含量大於0．2%的合金有效。
馬氏體一奧氏體的晶體學關係 在母相奧氏體(γ )和形成相馬氏體(α’)的晶體位向間保持K—S關係，即(111)γ∥(011α’，[101]γ ∥[111]α；更精確的測定指出不同合金系的實際關係與上述存在一定偏差。如對於Fe—0.8C一22Ni合金，(111)γ和(011)α’之間夾角為1度，[101]γ 和[111]α‘間為2度。
慣習面指數按碳含量高低分為3種，20世紀40年代以前就已確定，低碳(立方)馬氏體為{111}γ，，中碳為{225}γ，高碳為{259}γ。60年代更精確的測定將低碳馬氏體慣習面指數修正為{557}γ。鐵碳馬氏體的正方性(c與a之比值)越低，則慣習面指數越趨於簡單比，並有隨碳含量逐漸變化的趨勢，在一定範圍內出現混合型的慣習面。
微觀組織 光學金相顯微鏡觀察鐵碳馬氏體具有兩類形貌，分別稱為板條狀馬氏體和片狀馬氏體，如圖3、圖4所示。板條狀馬氏體為集束的板條，同一母相晶粒內只形成少數幾個集束，呈現幾個區域，域內各板條僅以小角度交界；而片狀馬氏體則為空間方位雜亂的餅狀，在磨麵上為針狀。
透射電子顯微鏡觀察，與兩種金相形貌對照，馬氏體(板，片)內部呈現兩類亞結構。低碳(板條)馬氏體為高密度的位錯網路，而高碳(片狀)馬氏體為極薄的孿晶片。故兩種馬氏體又分別稱為位錯馬氏體和孿晶馬氏體。
多數工業實用的鐵碳馬氏體並非單一的金相形貌和亞結構，而是混合的。淬火態兩類(板條——位錯、片狀——孿晶)馬氏體的相對量可由圖5的數據估計。碳含量越高，馬氏體轉變點M。越低，則片狀——孿晶馬氏體量越多。當碳含量超過0.6%時，片狀馬氏體量將超過50%(體積分數)。孿晶馬氏體的韌性低，它是高碳鋼淬火態脆性大的根本原因。
