Baja
Karakteristik material

Besi dapat ditemukan pada bagian kerak bumi hanya dalam bentuk bijih, biasanya dalam bentuk besi oksida seperti magnetit dan hematit. besi diekstraksi dari bijih besi dengan menghilangkan atom oksigen dan kemudian menggabungkannya kembali dengan atom lain seperti karbon. Proses ini disebut peleburan, yang pertamakali digunakan pada logam dengan titik lebur yang lebih rendah dari besi seperti timah, yang meleleh di titik 250 °C (482 °F), serta tembaga yang meleleh di titik 1.100 °C (2.010 °F), kemudian kombinasi dari timah dan tembaga yaitu perunggu, yang titik lelehnya lebih rendah dari 1.083 °C (1.981 °F) . Sebagai pembanding, besi tempa meleleh di sekitar suhu 1.375 °C (2.507 °F). Ada sejumlah kecil besi yang sudah melalui proses ini pada masa lampau dengan cara memanaskan bijih yang ditanam pada bara api dan kemudian menggabungkan kedua logam dengan menempanya menggunakan palu. Kandungan karbon yang terkandung juga dapat dikontrol.
Temperatur tinggi pada proses peleburan dapat dicapai dengan metode kuno yang sudah dipakai sejak zaman Perunggu. Karena tingkat oksidasi besi meningkat sangat cepat diatas suhu 800 °C (1.470 °F), maka harus diperhatikan bahwa proses peleburan harus dilaksanakan pada lingkungan dengan tingkat oksigen rendah. Proses peleburan akan menghasilkan paduan yang dinamakan baja. Kelebihan karbon dan pengotor lainnya dapat dihilangkan dengan beberapa proses bertahap.
Beberapa material lainnya juga ditambahkan ke campuran besi/karbon untuk mendapatkan baja dengan karakteristik yang diinginkan. Nikel dan mangan ditambahkan untuk menambah kekuatan, krom ditambahkan untuk meningkatkan kekerasan dan titik didih, serta penambahan vanadium juga menambah kekerasan serta mengurangi dampak kelelahan logam.
Untuk mencegah korosi, harus ditambahkan kromium paling sedikit 11% wt sehingga membentuk oksida yang keras pada permukaan baja; baja ini dikenal dengan stainless steel (baja anti noda). Tungsten ditambahkan pada pembentukan cementit, sehingga pada kecepatan penyiraman yang lebih rendah akan membentuk martensit. Di sisi lain, sulfur, nitrogen, dan fosfor membuat baja menjadi getas, sehingga elemen ini harus dipisahkan ketika pemrosesan.
Densitas baja bervariasi tergantung dari unsur pembentuknya, namun umumnya berada di antara 7.750 dan 8.050 kg/m3 (484 dan 503 lb/cu ft), atau 775 dan 805 g/cm3 (448 dan 465 oz/cu in).
Meski dalam rentang konsentrasi campuran yang rendah besi dan karbon membentuk baja, namun dapat terbentuk berbagai macam struktur metalurgi yang berbeda dengan sifat yang sangat berbeda pula. Memahami sifat-sifat ini sangat penting dalam produksi baja. Pada suhu ruangan, bentuk besi yang paling stabil adalah struktur body-centered cubic (BCC) yang disebut ferrit atau besi-α. Besi ini merupakan logam lunak yang hanya dapat melarutkan karbon dalam konsentrasi kecil, tidak lebih dari 0.021 wt% pada 723 °C (1.333 °F), dan hanya 0.005% pada 0 °C (32 °F). Pada 910 °C besi murni berubah menjadi struktur face-centered cubic (FCC), yang disebut austenit atau besi-γ. Struktur FCC austenit dapat melarutkan karbon lebih banyak, sampai 2.1% (karbonnya 38 kali ferrit) pada 1.148 °C (2.098 °F), yang disebut besi tuang (cast iron).
Ketika baja dengan kandungan karbon kurang dari 0,8% dipanaskan, maka fase austenitic (FCC) campuran mencoba berubah menjadi fase ferrit (BCC), menghasilkan karbon yang berlebih. Kandungan karbon didalamnya tidak lagi pas didalam struktur austenit FCC. Salah satu cara untuk kandungan karbon supaya bisa terlepas dari austenit tersebut adalah dengan menggunakan reaksi pengendapan solusi cairan material tersebut menjadi sementit, sehingga tersisa besi fasa BCC disekitarnya yang disebut ferit yang kandungan karbonnya lebih rendah. Kedua solusi ini, ferit dan sementit, mengendap secara bersamaan dan membuat sebuah struktur berlapis yang disebut pearlit, dinamai begitu karena kesamaanya dengan material ibu segala mutiara. Dalam sebuah komposisi hypereutectoid (kandungan karbon diatas 0.8%), karbon tersebut akan mengendap terlebih dahulu dengan bentuk sebagai sementit, masuk kedalam bulir pinggiran austenit sampai presentase karbon didalam bulir berkurang hingga mencapai komposisi eutektoid (0.8% karbon), disaat bersamaan struktur pearlit terbentuk. Untuk baja yang memiliki komposisi hypoeutektoid (kandungan karbon dibawah 0.8%), ferit akan terbentuk didalam bulir-bulir besi hingga komposisi lainnya akan naik hingga mencapai 0.8% bagian karbon, dimana struktur pearlit akan terbentuk pada saat yang bersamaan. Contoh tersebut berasumsi bahwa proses penyiraman terjadi perlahan, memberikan waktu yang cukup untuk migrasi karbon dalam cairan solusi.
Dengan meningkatnya kecepatan penyiraman, karbon akan memiliki waktu yang lebih sedikit untuk membentuk karbit pada pinggiran bulir namun akan menghasilkan pearlit yang semakin halus dan halus dalam jumlah besar di dalam struktur bulir tersebut; itulah alasannya kenapa karbit disebar berjauhan dan berfungsi sebagai pencegah cacat didalam bulir tersebut, menghasilkan perkerasan struktur baja. Pada pendinginan kecepatan sangat tinggi yang dihasilkan oleh proses penyiraman, kandungan karbon tidak sempat lagi bermigrasi tapi terkunci ditengah-tengah permukaan austenit dan membentuk martensit. Martensit ialah sebuah bentuk karbon dan besi yang disupersaturasi juga sangat tertekan dan terbebani sehingga sangatlah keras namun rapuh dan tidak elastis. Tergantung dari kandungan karbonnya, fase martensitik sendiri terdiri dari beberapa bentuk. Dibawah 0.2% kandungan karbon, maka akan terbentuk kristal BCC ferit, tapi pada kandungan karbon yang lebih tinggi martenit akan membentuk struktur tetragonal terpusat (BCT). Tidak ada aktifasi energi panas untuk perubahan wujud dari austenit ke martensit.[butuh klarifikasi] Lebih dari itu, tidak ada perubahan komposisional sehingga atom-atom penyusun biasanya tidak berganti pasangan.
Martensit memiliki kepadatan yang lebih rendah dari austenit karena mengembang ketika terjadi pendinginan, jadi perubahan wujud yang terjadi antara mereka hanyalah perubahan volume. Dalam hal ini, pengembangan terjadi. Beban internal dari penggembungan ini biasanya berwujud kompresi fisik terhadap kristal martensite dan tekanan terhadap ferit sisanya, dan pergeseran yang cukup banyak pada keduanya.Apabila penyiraman tidak dilaksanakan dengan benar, beban internal dalam baja tersebut akan mengakibatkan pecahnya struktur ketika pendinginan. Paling minimal hal ini akan menyebabkab perkerasan kerja dan ketidaksempurnaan lainnya. Sangat umum terjadinya getas penyiraman untuk terbentuk ketika baja diberi perlakuan penyiraman air, meskipun tidak selalu terlihat mata.