เหล็กกล้า

เหล็กกล้า () คือ เหล็ก (สัญลักษณ์ทางเคมี : Fe) ที่ผ่านกรรมวิธีเพิ่มสารอื่นๆเข้าไปเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กให้ดีขึ้น เป็นโลหะผสมที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอยู่ระหว่าง 0.2 – 2.04% โดยน้ำหนักขึ้นกับคุณภาพ คาร์บอนเป็นวัสดุผสมที่ลดต้นทุนของเหล็กแต่ก็มีการใช้ธาตุอื่นๆ เช่น แมงกานีส โครเมียม วานาเดียม และทังสเตน คาร์บอนและธาตุอื่นๆเป็นตัวทำให้แข็ง การเปลี่ยนปริมาณธาตุที่ผสมในโลหะผสมที่พบในเหล็กกล้า มีส่วนในการควบคุมคุณภาพทั้งด้านความแข็ง การรีดเป็นแผ่นได้ และความตึงของเหล็กกล้าที่ได้ เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนมากขึ้นจะแข็งแกร่งและมีความแข็งมากกว่าเหล็ก แต่จะเปราะ ค่าสูงสุดในการละลายของคาร์บอนในเหล็กเป็น 2.14% โดยน้ำหนัก เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1149 องศาเซลเซียสในการอบใช้อุณหภูมิประมาณ950 องศาเซลเซียส ความเข้มข้นที่สูงกว่านี้หรือหรืออุณหภูมิต่ำกว่านี้จะเกิดลักษณะเป็นซีเมนต์ โลหะผสมที่มีคาร์บอนมากจะเป็นเหล็กที่มีความแข็งมาก เพราะมีจุดหลอมเหลวต่ำ และมีความแข็ง เหล็กกล้าต่างจากเหล็กบริสุทธิ์ที่มีอะตอมของธาตุอื่นน้อยมาก แต่มีกากแร่ 1-3% โดยน้ำหนักในรูปของอนุภาคอยู่ในทิศทางหนึ่ง ซึ่งมีความทนทานกว่าเหล็กกล้า และโค้งงอง่ายกว่าแบ่งเป็น

เหล็กกล้า มีการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพต่ำในช่วงก่อนยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาการ และเริ่มมีวิธีผลิตที่มีประสิทธิภาพตั้งแต่พุทธศตวรรษที่ 22 และเริ่มเป็นสินค้าที่มีต้นทุนการผลิตต่อหน่วยถูกตั้งแต่ช่วงพุทธศตวรรษที่ 24 และการลดต้นทุนการผลิตยังช่วยเพิ่มคุณภาพของเหล็กกล้าด้วย ทุกวันนี้ เหล็กกล้าเป็นวัตถุดิบทั่วไปในการก่อสร้างอาคารและเครื่องมือต่างๆ

เหล็กเป็นเช่นเดียวกับโลหะส่วนใหญ่คือพบบนพื้นผิวของโลกในรูปของธาตุ และพบได้ในบริเวณที่มีออกซิเจนหรือกำมะถัน แร่ที่มีเหล็กได้แก่ FeO ซึ่งอยู่ในรูปไอรอนออกไซด์ พบในแร่ฮีมาไทต์ และ FeS หรือไพไรต์ เหล็กอาจสกัดออกจากสินแร่อโลหะโดยการย้ายออกซิเจนออกด้วยธาตุที่ทำปฏิกิริยากับคาร์บอน กระบวนการนี้เรียกว่าการถลุงแร่ ใช้กับโลหะด้วยอุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ทองแดงหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส ในขณะที่ดีบุกหลอมเหลวประมาณ 250 องศาเซลเซียส โลหะผสมของเหล็กที่มีคาร์บอนมากกว่า 1.7% หลอมเหลวที่อุณหภูมิ 1,370 องศาเซลเซียส อุณหภูมิเหล่านี้สามารถจัดให้มีได้ด้วยวิธีโบราณที่ใช้กันมาอย่างน้อย 6,000 ปี (ตั้งแต่ยุคทองแดง) เพราะอัตราการเกิดออกซิเดชันเพิ่มขึ้นได้เองอย่างรวดเร็วเมื่อถึง 800 องศาเซลเซียส จึงมีความสำคัญที่ว่าการถลุงแร่ต้องทำในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนน้อย เหล็กหลอมเหลวต่างจากทองแดงและดีบุกที่ว่าสามารถละลายคาร์บอนได้ ทำให้ผลที่ได้จากการถลุงเป็นโลหะผสมที่มีคาร์บอนมากที่เรียกว่าเหล็กกล้า 
แม้ว่าความเข้มข้นที่ใช้ผลิตเหล็กกล้าอยูในช่วงแคบ ส่วนผสมระหว่างคาร์บอนและเหล็กเกิดได้ในโครงสร้างที่ต่างกัน ซึ่งมีคุณสมบัติต่างกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องเข้าใจในการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพดี ที่อุณหภูมิห้อง รูปแบบที่เสถียรที่สุดของเหล็กเหล็ก a ซึ่งเป็นโลหะที่มีความอ่อนนุ่มปานกลางที่ละลายคาร์บอนได้ด้วยความเข้มข้นที่ต่ำ (น้อยกว่า 0.021% ที่ 910 ๐C) อุณหภูมิสูงกว่านี้ เฟอร์ไรต์จะเปลี่ยนรูปไปเป็นรูปแบบอัสเทไนต์หรือเหล็ก y ซึ่งมีความอ่อนนุ่มใกล้เคียงกันแต่ละลายคาร์บอนได้มากกว่า เมื่ออัสเทไนต์ที่มีคาร์บอนมากเย็นตัวลง ส่วนผสมพยายามจะกลับไปจัดตัวแบบเฟอร์ไรต์ ทำให้มีคาร์บอนที่มากเกินไป วิธีหนึ่งที่คาร์บอนส่วนเกินจะออกมาจากอัสเทไนต์คือการเกิดซีเมนไตต์เพื่อตกตะกอนส่วนผสม ทำให้โลหะที่เหลือมีความบริสุทธิ์และกลับไปอยู่ในรูปเฟอร์ไรต์ได้ ทำให้ได้เป็นส่วนผสมของเฟอร์ไรต์-ซีเมนไตต์ ซีเมนไตต์มีสูตรโครงสร้างเป็น Fe3C รูปแบบของซีเมนไตต์เกิดในบริเวณที่มีคาร์บอนสูงในขณะที่บริเวณอื่นรอบๆเปลี่ยนรูปไปเป็นเฟอร์ไรต์

เหล็กกล้าเป็นสิ่งที่ผลิตได้ตั้งแต่สมัยโบราณ บางส่วนของเหล็กกล้าในยุคแรกพบที่แอฟริกาตะวันออก เมื่อ 1,400 ปีก่อนคริสตกาล ในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาลมีการผลิตอาวุธด้วยเหล็กกล้าในคาบสมุทรไอบีเรีย ส่วนเหล็กกล้านอริกมีใช้ในกองทัพโรมัน ในจีนสมัยที่มีสงครามระหว่างรัฐ (403 – 221 ปีก่อนคริสตกาล) มีการใช้เหล็กกล้าแล้วเช่นกัน ในสมัยราชวงศ์ฮั่นมีการผลิตเหล็กกล้าโดยการหลอมเหล็กหลอมควบคู่กับแร่เหล็กได้เป็นเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนปานกลาง