เหล็กมักพบในเปลือกโลกในรูปของแร่ซึ่งโดยทั่วไปคือเหล็กออกไซด์ เช่นแมกเนไทต์หรือเฮมาไทต์เหล็กถูกสกัดจากแร่เหล็กภายใต้สภาวะรีดิวซ์ โดยออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในเชื้อเพลิงเพื่อผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งจะรีดิวซ์เหล็กออกไซด์ให้กลายเป็นเหล็กโลหะ^{[ 16 ]}กระบวนการนี้เรียกว่าการถลุง ซึ่งถูกนำมาใช้กับโลหะที่มี จุดหลอมเหลวต่ำกว่าก่อนเช่นดีบุกซึ่งมีจุดหลอมเหลวประมาณ250 °C (482 °F)และทองแดงซึ่งมีจุดหลอมเหลวประมาณ1,100 °C (2,010 °F)และโลหะผสมอย่างทองสัมฤทธิ์ ซึ่งมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่า1,083 °C (1,981 °F)เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เหล็กมีจุดหลอมเหลวประมาณ1,540 °C (2,800 °F)ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในช่วงเริ่มต้นของยุคเหล็ก ในสมัยโบราณมีการถลุงเหล็กในปริมาณน้อยในสถานะกึ่งเหลวโดยการให้ความร้อนแก่แร่ซ้ำๆ ใน กองไฟ ถ่านแล้วจึงเชื่อมก้อนที่ได้เข้าด้วยกันด้วยค้อน กระบวนการนี้ช่วยกำจัดสิ่งเจือปนได้มาก ทำให้ได้เหล็กดัดเมื่อเตาหลอมมีอุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจาก การปรับปรุง เครื่องเป่าลม ทำให้มีการไหลของอากาศมากขึ้น จึงสามารถผลิต เหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนสูงขึ้นได้^{[ 17 ]}ต่างจากทองแดงและดีบุก^{[ 18 ] [ 19 ]}เหล็กเหลวหรือของแข็งสามารถละลายคาร์บอนได้ค่อนข้างง่าย^{[ 20 ]}        

อุณหภูมิทั้งหมดนี้สามารถเข้าถึงได้ด้วยวิธีการโบราณที่ใช้มาตั้งแต่ยุคสำริดเนื่องจากอัตราการออกซิเดชันของเหล็กเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเกิน800 °C (1,470 °F)จึงเป็นสิ่งสำคัญที่การถลุงเหล็กจะต้องเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำ การถลุงเหล็กโดยใช้คาร์บอนเพื่อลดออกไซด์ของเหล็ก ส่งผลให้ได้โลหะผสม ( เหล็กดิบ ) ที่มีคาร์บอนมากเกินไปจนไม่สามารถเรียกว่าเหล็กกล้าได้^{[ 17 ]}คาร์บอนส่วนเกินและสิ่งเจือปนอื่นๆ จะถูกกำจัดออกไปโดยผ่านกระบวนการเพิ่มเติม^{[ 21 ]}  

มักมีการเติมวัสดุอื่นๆ ลงในส่วนผสมเหล็ก/คาร์บอนเพื่อผลิตเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการนิกเกลและแมงกานีสในเหล็กกล้าช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงดึงและทำให้ รูปแบบ ออสเทนไนต์ของสารละลายเหล็ก-คาร์บอนมีความเสถียรมากขึ้นโครเมียมช่วยเพิ่มความแข็งและอุณหภูมิหลอมเหลว และวานาเดียม ยังช่วยเพิ่มความแข็ง พร้อมทั้งลดโอกาสการเกิดความล้าของโลหะ^{[ 22 ]}

เพื่อยับยั้งการกัดกร่อน สามารถเติมโครเมียมอย่างน้อย 11% ลงในเหล็กเพื่อให้ เกิด ออกไซด์ แข็ง บนพื้นผิวโลหะ ซึ่งเรียกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมทังสเตนช่วยชะลอการก่อตัวของซีเมนต์ไทต์ทำให้คาร์บอนอยู่ในเมทริกซ์เหล็กและช่วยให้มาร์เทนไซต์ก่อตัวได้ดีกว่าที่อัตราการดับที่ช้าลง ส่งผลให้ได้เหล็กความเร็วสูงการเติมตะกั่วและกำมะถันช่วยลดขนาดเกรน ทำให้เหล็กกลึง ได้ง่ายขึ้น แต่ก็เปราะและกัดกร่อนได้ง่ายขึ้นเช่นกัน อย่างไรก็ตาม โลหะผสมดังกล่าวถูกนำมาใช้บ่อยครั้งสำหรับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น น็อต สลักเกลียว และแหวนรอง ในงานที่ความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนไม่สำคัญมากนัก อย่างไรก็ตาม โดยส่วนใหญ่แล้ว ธาตุ ในกลุ่ม pเช่น กำมะถันไนโตรเจนฟอสฟอรัส และตะกั่ว ถือเป็นสารปน เปื้อนที่ทำให้เหล็กเปราะมากขึ้น ดังนั้นจึงถูกกำจัดออกจากเหล็กในระหว่างกระบวนการหลอม^{[ 22 ]}

ความหนาแน่นของเหล็กจะแตกต่างกันไปตามส่วนประกอบของโลหะผสม แต่โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง7,750 ถึง 8,050 กก./ลบ.ม. ⁽ 484 ถึง 503 ปอนด์/ลบ. ฟุต)หรือ7.75 ถึง 8.05 กรัม/ลบ.ซม. ⁽ 4.48 ถึง 4.65 ออนซ์/ลบ.นิ้ว) ^{[ 23 ]}      

แม้แต่ในช่วงความเข้มข้นแคบๆ ของส่วนผสมของคาร์บอนและเหล็กที่ใช้ในการผลิตเหล็กกล้า ก็สามารถเกิดโครงสร้างทางโลหะวิทยาที่แตกต่างกันได้หลายแบบ ซึ่งมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก การทำความเข้าใจคุณสมบัติเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญในการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพสูง ที่อุณหภูมิห้องโครงสร้างที่เสถียรที่สุดของเหล็กบริสุทธิ์คือ โครงสร้าง ลูกบาศก์แบบศูนย์กลางตัว (BCC) ที่เรียกว่าเหล็กอัลฟาหรือเหล็ก α เป็นโลหะที่ค่อนข้างอ่อนซึ่งสามารถละลายคาร์บอนได้เพียงเล็กน้อย ไม่เกิน 0.005% ที่0 °C (32 °F)และ 0.021 wt% ที่723 °C (1,333 °F)การรวมตัวของคาร์บอนในเหล็กอัลฟาเรียกว่าเฟอร์ไรต์ที่อุณหภูมิ 910 °C เหล็กบริสุทธิ์จะเปลี่ยนเป็น โครงสร้าง ลูกบาศก์แบบศูนย์กลางหน้า (FCC) ที่เรียกว่าเหล็กแกมมาหรือเหล็ก γ การรวมตัวของคาร์บอนในเหล็กแกมมาเรียกว่าออสเทนไนต์ โครงสร้าง FCC ที่เปิดกว้างกว่าของออสเทนไนต์สามารถละลายคาร์บอนได้มากขึ้นถึง 2.1% (38 เท่าของเฟอร์ไรต์) ^{[ 24 ]}ที่อุณหภูมิ 1,148 °C (2,098 °F)ซึ่งสะท้อนถึงปริมาณคาร์บอนสูงสุดของเหล็กกล้า ซึ่งสูงกว่านั้นคือเหล็กหล่อ^{[ 25 ]}เมื่อคาร์บอนเคลื่อนตัวออกจากสารละลายของเหล็ก มันจะก่อตัวเป็นวัสดุที่แข็งมากแต่เปราะที่เรียกว่าซีเมนต์ไทต์ (Fe C) ^{[ 20 ]}       

เมื่อเหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.8% พอดี (เรียกว่าเหล็กกล้าแบบยูเทคทอยด์) เย็นตัวลง เฟส ออสเทนไนต์ (FCC) ของส่วนผสมจะพยายามเปลี่ยนกลับไปเป็นเฟสเฟอร์ไรต์ (BCC) คาร์บอนไม่สามารถเข้าไปอยู่ในโครงสร้างออสเทนไนต์ FCC ได้อีกต่อไป ส่งผลให้มีคาร์บอนส่วนเกิน วิธีหนึ่งที่คาร์บอนจะออกจากออสเทนไนต์ได้คือการตกตะกอนออกจากสารละลายในรูปของซีเมนไทต์โดยทิ้งเฟสเหล็ก BCC ที่อยู่รอบๆ เรียกว่าเฟอร์ไรต์ ซึ่งมีคาร์บอนละลายอยู่เล็กน้อย ซีเมนไทต์และเฟอร์ไรต์จะตกตะกอนพร้อมกัน ทำให้เกิดโครงสร้างเป็นชั้นๆ ที่เรียกว่าเพิร์ลไลต์ ซึ่งตั้งชื่อตาม ความคล้ายคลึงกับมุก^{[ 26 ]}ในองค์ประกอบไฮเปอร์ยูเทคทอยด์ (คาร์บอนมากกว่า 0.8%) คาร์บอนจะตกตะกอนออกมาเป็นซีเมนต์ไทต์ขนาดใหญ่ที่ขอบเกรน ออสเทนไนต์ก่อน จนกระทั่งเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนในเกรนลดลงเหลือองค์ประกอบยูเทคทอยด์ (คาร์บอน 0.8%) ณ จุดนั้นโครงสร้างเพิร์ลไลต์จะก่อตัวขึ้น^{[ 27 ]}สำหรับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.8% (ไฮโปยูเทคทอยด์) เฟอร์ไรต์จะก่อตัวขึ้นภายในเกรนก่อน จนกระทั่งองค์ประกอบที่เหลือเพิ่มขึ้นเป็นคาร์บอน 0.8% ณ จุดนั้นโครงสร้างเพิร์ลไลต์จะก่อตัวขึ้น จะไม่มีซีเมนต์ไทต์ขนาดใหญ่ก่อตัวขึ้นที่ขอบในเหล็กกล้าไฮโปยูเทคทอยด์ สมมติฐานข้างต้นถือว่ากระบวนการเย็นตัวช้ามาก ทำให้มีเวลาเพียงพอสำหรับการเคลื่อนที่ของคาร์บอน^{[ 28 ]}

เมื่ออัตราการเย็นตัวเพิ่มขึ้น คาร์บอนจะมีเวลาน้อยลงในการเคลื่อนย้ายเพื่อสร้างคาร์ไบด์ที่ขอบเกรน แต่จะมีเพิร์ลไลต์ที่มีโครงสร้างละเอียดขึ้นเรื่อยๆ ภายในเกรนมากขึ้น ดังนั้นคาร์ไบด์จึงกระจายตัวได้กว้างขึ้นและทำหน้าที่ป้องกันการเลื่อนของข้อบกพร่องภายในเกรนเหล่านั้น ส่งผลให้เหล็กแข็งตัวขึ้น ที่อัตราการเย็นตัวสูงมากที่เกิดจากการชุบแข็ง คาร์บอนไม่มีเวลาที่จะเคลื่อนย้าย แต่จะถูกล็อกไว้ภายในออสเทนไนต์แบบศูนย์กลางหน้าและก่อตัวเป็นมาร์เทนไซต์ [ ^{29 ] มา}ร์เทนไซต์เป็นรูปแบบของคาร์บอนและเหล็กที่มีความเครียดและความเค้นสูง อิ่มตัวยิ่งยวด และแข็งมากแต่เปราะ ขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน เฟสมาร์เทนไซต์จะมีรูปแบบที่แตกต่างกัน ต่ำกว่า 0.2% ของคาร์บอน จะมีรูปแบบผลึกเฟอร์ไรต์ BCC แต่ที่ปริมาณคาร์บอนสูงกว่า จะมี โครงสร้าง แบบเตตระโกนัลศูนย์กลางตัว (BCT) ไม่มี อุปสรรค พลังงานกระตุ้น ความร้อน ที่ป้องกันการเปลี่ยนจากออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ ดังนั้นอะตอมโดยทั่วไปจึงยังคงมีเพื่อนบ้านเหมือนเดิม^{[ 30 ]}

มาร์เทนไซต์มีความหนาแน่นต่ำกว่า (ขยายตัวระหว่างการเย็นตัว) ออสเทนไซต์ ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงระหว่างทั้งสองจึงส่งผลให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลง ในกรณีนี้ การขยายตัวเกิดขึ้น ความเครียดภายในจากการขยายตัวนี้โดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของการบีบอัดบนผลึกของมาร์เทนไซต์และแรงดึง บนเฟอร์ไรต์ที่เหลืออยู่ พร้อมกับ แรงเฉือนจำนวนมากบนส่วนประกอบทั้งสอง หากการชุบแข็งทำไม่ถูกต้อง ความเครียดภายในอาจทำให้ชิ้นส่วนแตกหักขณะเย็นตัว อย่างน้อยที่สุดก็ทำให้เกิดการแข็งตัวจากการทำงาน ภายใน และข้อบกพร่องระดับจุลภาคอื่นๆ เป็นเรื่องปกติที่รอยแตกจากการชุบแข็งจะเกิดขึ้นเมื่อเหล็กถูกชุบแข็งด้วยน้ำ แม้ว่าอาจจะไม่สามารถมองเห็นได้เสมอไป^{[ 31 ]}

มี กระบวนการ อบชุบความร้อน หลายประเภท สำหรับเหล็ก เช่นการอบอ่อนการชุบแข็งและการอบคืนตัว

การอบอ่อนเป็นกระบวนการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิที่สูงเพียงพอที่จะคลายความเครียดภายในเฉพาะจุด กระบวนการนี้ไม่ได้ทำให้ผลิตภัณฑ์อ่อนตัวลงโดยทั่วไป แต่เป็นการคลายความเครียดและแรงกดดันที่สะสมอยู่ภายในวัสดุเฉพาะจุดเท่านั้น การอบอ่อนมีสามขั้นตอน ได้แก่การฟื้นตัวการตกผลึกใหม่และการเจริญเติบโตของเกรนอุณหภูมิที่จำเป็นในการอบอ่อนเหล็กชนิดใดชนิดหนึ่งขึ้นอยู่กับประเภทของการอบอ่อนที่ต้องการและส่วนประกอบของโลหะผสม^{[ 32 ]}

การชุบแข็งเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่เหล็กเพื่อสร้างเฟสออสเทนไนต์ จากนั้นจึงชุบแข็งในน้ำหรือน้ำมันการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วนี้ส่งผลให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่แข็งแต่เปราะ^{[ 30 ]}จากนั้นเหล็กจะถูกอบคืนตัว ซึ่งเป็นเพียงการอบอ่อนแบบพิเศษชนิดหนึ่ง เพื่อลดความเปราะ ในการใช้งานนี้ กระบวนการอบคืนตัว (การอบคืนตัว) จะเปลี่ยนมาร์เทนไซต์บางส่วนให้เป็นซีเมนต์ไทต์หรือสเฟียรอยไดต์ดังนั้นจึงช่วยลดความเครียดภายในและข้อบกพร่อง ผลลัพธ์ที่ได้คือเหล็กที่มีความยืดหยุ่นและทนต่อการแตกหักได้ดีขึ้น^{[ 33 ]}

เหล็กเป็นที่รู้จักในสมัยโบราณและผลิตในเตาหลอมและเบ้าหลอม^{[ 34 ] [ 35 ]}

การผลิตเหล็กกล้าที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ทราบพบในชิ้นส่วนเครื่องเหล็กที่ขุดพบจากแหล่งโบราณคดีในอนาโตเลีย ( Kaman-Kalehöyük ) ซึ่งมีอายุเกือบ 4,000 ปี ย้อนไปถึง 1800 ปีก่อน คริสตกาล^{[ 36 ] [ 37 ]}

เหล็กวูตซ์ได้รับการพัฒนาในอินเดียตอนใต้และศรีลังกาในช่วงสหัสวรรษที่ 1 ก่อนคริสต์ศักราช^{[ 35 ]}แหล่งผลิตโลหะในศรีลังกาใช้เตาหลอมลมที่ขับเคลื่อนด้วยลมมรสุม ซึ่งสามารถผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนสูงได้ การผลิตเหล็กวูตซ์ขนาดใหญ่ในอินเดียโดยใช้เบ้าหลอมเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 6 ก่อน คริสต์ศักราช ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการผลิตเหล็กและโลหะวิทยาในยุคปัจจุบัน^{[ 34 ] [ 35 ]}

เหล็กกล้าคาร์บอนสูงถูกผลิตขึ้นในบริเตนที่Broxmouth Hillfortตั้งแต่ปี 490 ถึง 375 ก่อนคริสต์ศักราช^{[ 38 ] [ 39 ]}และเหล็กกล้าคาร์บอนสูงพิเศษถูกผลิตขึ้นในเนเธอร์แลนด์ตั้งแต่ศตวรรษที่ 2 ถึง 4 หลังคริสต์ศักราช^{[ 40 ]}นักเขียนชาวโรมันอย่างฮอเรซระบุว่าอาวุธเหล็ก เช่นฟัลคาตาอยู่ในคาบสมุทรไอบีเรียในขณะที่ เหล็กกล้า โนริกถูกใช้โดยกองทัพโรมัน^{[ 41 ]}

ชาวจีนในยุคสงครามระหว่างรัฐ (403 – 221  ปีก่อนคริสตกาล) มีเหล็กกล้าชุบแข็ง^{[ 42 ]}ในขณะที่ชาวจีนในสมัยราชวงศ์ฮั่น (202  ปีก่อนคริสตกาล – ค.ศ.  220) สร้างเหล็กกล้าโดยการหลอมเหล็กดัดเข้ากับเหล็กหล่อ จึงผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนระดับกลางได้ในศตวรรษที่ 1 หลัง คริสตกาล^{[ 43 ] [ 44 ]}

มีหลักฐานว่าเหล็กกล้าคาร์บอนถูกผลิตขึ้นในแทนซาเนีย ตะวันตก โดยบรรพบุรุษของชาวฮายาเมื่อ 2,000 ปีก่อนโดยกระบวนการ "การให้ความร้อนล่วงหน้า" ที่ซับซ้อน ซึ่งทำให้อุณหภูมิภายในเตาหลอมสูงถึง 1300 ถึง 1400  °C ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

หลักฐานการผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนสูงที่เก่าแก่ที่สุดในเอเชียใต้พบได้ในKodumanalในรัฐทมิฬนาฑูพื้นที่Golcondaในรัฐเตลังกานาและรัฐกรณาฏกะซึ่งเป็นภูมิภาคของอินเดียรวมถึงในSamanalawewaและ Dehigaha Alakanda ซึ่งเป็นภูมิภาคของศรีลังกา [ ^{51 ] ต่อ} มาเหล็ก ชนิดนี้เป็นที่รู้จักในชื่อเหล็กวูตซ์ซึ่งผลิตในอินเดียตอนใต้ราวศตวรรษที่ 6 ก่อน คริสต์ศักราชและส่งออกไปทั่วโลก^{[ 52 ] [ 53 ]}เทคโนโลยีการผลิตเหล็กมีอยู่ก่อนปี 326 ก่อนคริสต์ศักราช ในภูมิภาคนี้ เนื่องจากมีการกล่าวถึงในวรรณกรรมSangam Tamil , ArabicและLatinว่าเป็นเหล็กที่ดีที่สุดในโลกที่ส่งออกไปยังโลกโรมัน อียิปต์ จีน และอาหรับในเวลานั้น ซึ่งพวกเขาเรียกว่าเหล็กเซริก [ ^{54 ] สมาคม}การค้าชาวทมิฬใน Tissamaharama ทางตะวันออกเฉียงใต้ของศรีลังกาเมื่อ 200  ปีก่อนคริสต์ศักราช ได้นำสิ่งประดิษฐ์เหล็กและกระบวนการผลิตที่เก่าแก่ที่สุดบางส่วนจากยุคคลาสสิก มายังเกาะ นี้^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}ชาวจีนและชาวท้องถิ่นในอนุราธปุระประเทศศรีลังกา ได้นำวิธีการผลิตเหล็กวูตซ์จากราชวงศ์เชราของชาวทมิฬทางตอนใต้ของอินเดียมาใช้ในช่วงศตวรรษที่ 5  [ ^{58 ] [ 59 ] ใน}ศรีลังกา วิธีการผลิตเหล็กในยุคแรกนี้ใช้เตาหลอมลมที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งขับเคลื่อนด้วยลมมรสุม สามารถผลิตเหล็กกล้าคาร์บอนสูงได้^{[ 60 ] [ 61 ]}เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ได้มาจากชาวทมิฬจากทางตอนใต้ของอินเดีย^{[ 62 ]}จึงสามารถประมาณการต้นกำเนิดของเทคโนโลยีเหล็กในอินเดียได้อย่างระมัดระวังว่าอยู่ในช่วง 400 – 500 ปี ก่อนคริสตกาล^{[ 52 ] [ 61 ]}

การผลิตเหล็กวูตซ์และเหล็กดามัสกัสซึ่งมีชื่อเสียงในด้านความทนทานและความสามารถในการรักษาความคม อาจถูกรับมาจากชาวอาหรับจากเปอร์เซีย ซึ่งรับมาจากอินเดีย ในปี 327  ก่อนคริสต์ศักราชอเล็กซานเดอร์มหาราชได้รับรางวัลจากกษัตริย์โปรัส ผู้พ่ายแพ้ ไม่ใช่ทองคำหรือเงิน แต่เป็น เหล็กหนัก 30 ปอนด์^{[ 63 ]}นักเล่นแร่แปรธาตุชาวกรีกโซซิโมสแห่งพาโนโพลิสยืนยันถึงต้นกำเนิดของเหล็กวูตซ์จากอินเดีย โดยระบุว่า "ชาวอินเดียสร้างดาบคุณภาพสูงโดยการหลอมเหล็กอ่อนในเบ้าหลอม" ^{[ 64 ]}การศึกษาล่าสุดคาดการณ์ว่านาโนทิวบ์คาร์บอนถูกรวมอยู่ในโครงสร้าง ซึ่งอาจอธิบายคุณสมบัติที่เป็นตำนานบางประการได้ แม้ว่าด้วยเทคโนโลยีในสมัยนั้น คุณสมบัติดังกล่าวเกิดขึ้นโดยบังเอิญมากกว่าโดยการออกแบบ^{[ 65 ]}มีการใช้ลมธรรมชาติในการให้ความร้อนแก่ดินที่มีเหล็กโดยใช้ไม้ชาวสิงหลโบราณสามารถสกัดเหล็กได้หนึ่งตันต่อ ดิน 2 ตัน^{[ 60 ]}ซึ่งเป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งในสมัยนั้น เตาหลอมดังกล่าวถูกพบใน Samanalawewa และนักโบราณคดีสามารถผลิตเหล็กได้เช่นเดียวกับที่คนโบราณทำ^{[ 60 ] [ 66 ]}

เหล็กกล้าแบบเบ้าหลอมซึ่งเกิดจากการให้ความร้อนและทำให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ของเหล็กบริสุทธิ์และคาร์บอน (โดยทั่วไปอยู่ในรูปของถ่าน) ในเบ้าหลอม ถูกผลิตขึ้นในเมืองเมิร์ฟ  ในช่วง ศตวรรษที่ 9 ถึง 10 ^{[ 53 ]}ในศตวรรษที่ 11 มีหลักฐานการผลิตเหล็กกล้าในจีนสมัยราชวงศ์ซ่ง โดยใช้สองเทคนิค ได้แก่ วิธี "เบอร์กาเนสค์" ซึ่งผลิตเหล็กกล้าคุณภาพต่ำและไม่สม่ำเสมอ และกระบวนการที่เป็นต้นแบบของ กระบวนการเบสเซเมอร์สมัยใหม่ซึ่งใช้การลดคาร์บอน บางส่วน ผ่านการตีขึ้นรูปซ้ำๆ ภายใต้^ลมเย็น^[ 67 ^]

^{ตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 ขั้นตอนแรกในการผลิต เหล็กกล้า}ของยุโรปคือการถลุงแร่เหล็กให้เป็นเหล็กดิบในเตาหลอม^[ 68 ^]เดิมทีใช้ถ่านไม้ แต่ปัจจุบันใช้โค้กซึ่งพิสูจน์แล้วว่าประหยัดกว่า^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ]}

กระบวนการเริ่มต้นจากเหล็กหล่อ

ยุคสมัยใหม่ในการผลิตเหล็กเริ่มต้นด้วยการนำกระบวนการของเฮนรี เบสเซเมอร์มาใช้ในปี พ.ศ. 2498 โดยใช้วัตถุดิบเป็นเหล็กดิบ^{[ 76 ]}วิธีการของเขาทำให้เขาสามารถผลิตเหล็กได้ในปริมาณมากและราคาถูก ดังนั้นเหล็กอ่อนจึงถูกนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ที่เคยใช้เหล็กดัดมาก่อน^{[ 77 ]}กระบวนการกิลคริสต์-โทมัส (หรือกระบวนการเบสเซเมอร์พื้นฐาน ) เป็นการปรับปรุงกระบวนการเบสเซเมอร์ โดยการบุเตาแปลงด้วย วัสดุ พื้นฐานเพื่อกำจัดฟอสฟอรัส^{[ 78 ]}

กระบวนการผลิตเหล็กอีกกระบวนการหนึ่งในศตวรรษที่ 19 คือกระบวนการ Siemens-Martinซึ่งเสริมกระบวนการ Bessemer ^{[ 74 ]} ซึ่งเดิมประกอบด้วยการหลอมเศษเหล็กดัดร่วมกับเหล็กดิบ^{[ 79 ]}

วิธีการผลิตเหล็กเหล่านี้ล้าสมัยไปแล้วเนื่องจากกระบวนการผลิตเหล็กด้วยออกซิเจนพื้นฐาน (BOS) ของ Linz-Donawitz ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 1952 ^{[ 80 ]}และวิธีการผลิตเหล็กด้วยออกซิเจนอื่นๆ การผลิตเหล็กด้วยออกซิเจนพื้นฐานนั้นเหนือกว่าวิธีการผลิตเหล็กแบบเดิม เนื่องจากออกซิเจนที่สูบเข้าไปในเตาหลอมช่วยจำกัดสิ่งเจือปน โดยเฉพาะไนโตรเจน ซึ่งก่อนหน้านี้เข้ามาจากอากาศที่ใช้^{[ 81 ]}และเนื่องจากเมื่อเทียบกับกระบวนการเตาหลอมแบบเปิด ปริมาณเหล็กเท่ากันจากกระบวนการ BOS จะถูกผลิตได้ในเวลาเพียงหนึ่งในสิบสองของเวลา^{[ 80 ]}ปัจจุบันเตาหลอมไฟฟ้า แบบอาร์ค (EAF) เป็นวิธีการทั่วไปในการแปรรูปเศษโลหะเพื่อสร้างเหล็กใหม่ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการเปลี่ยนเหล็กดิบเป็นเหล็กกล้าได้ แต่ใช้พลังงานไฟฟ้ามาก (ประมาณ 440 kWh ต่อ ตัน) ดังนั้นโดยทั่วไปจึงคุ้มค่าก็ต่อเมื่อมีไฟฟ้าราคาถูกจำนวนมาก^{[ 82 ]}

เหล็กกล้าสมัยใหม่ผลิตขึ้นโดยใช้โลหะผสมหลายชนิดผสมกันเพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์หลายประการ^{[ 22 ]}เหล็กกล้าคาร์บอนซึ่งประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอน เพียงอย่างเดียว คิดเป็น 90% ของการผลิตเหล็กกล้า^{[ 7 ]}เหล็กกล้าอัลลอยต่ำผสมกับธาตุอื่นๆ โดยทั่วไปคือโมลิบเดนัมแมงกานีสโครเมียมหรือนิกเกลในปริมาณไม่เกิน 10% โดยน้ำหนัก เพื่อปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งของชิ้นส่วนหนา^{[ 7 ]}เหล็กกล้าอัลลอยต่ำความแข็งแรงสูงมีการเติมธาตุอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย (โดยทั่วไปน้อยกว่า 2% โดยน้ำหนัก) โดยทั่วไปคือแมงกานีส 1.5% เพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยเพิ่มราคาเพียงเล็กน้อย^{[ 93 ]}

กฎระเบียบ CAFE ( Corporate Average Fuel Economy ) ล่าสุดได้ก่อให้เกิดเหล็กชนิดใหม่ที่เรียกว่า เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (Advanced High Strength Steel: AHSS) วัสดุนี้ทั้งแข็งแรงและเหนียว ทำให้โครงสร้างรถยนต์สามารถรักษาระดับความปลอดภัยในปัจจุบันไว้ได้ ในขณะที่ใช้วัสดุน้อยลง มีเหล็กกล้า AHSS หลายเกรดที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ เช่นเหล็กกล้าสองเฟสซึ่งผ่านการอบชุบความร้อนเพื่อให้มีโครงสร้างจุลภาคทั้งแบบเฟอร์ริติกและมาร์เทนไซต์ เพื่อผลิตเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูงและสามารถขึ้นรูปได้^{[ 94 ]}เหล็กกล้า Transformation Induced Plasticity (TRIP) เกี่ยวข้องกับการผสมโลหะและการอบชุบความร้อนแบบพิเศษเพื่อรักษาระดับออสเทนไนต์ที่อุณหภูมิห้องในเหล็กกล้าเฟอร์ริติกผสมต่ำที่ปกติไม่มีออสเทนไนต์ โดยการใช้แรงดึง ออสเทนไนต์จะเกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์โดยไม่ต้องเพิ่มความร้อน^{[ 95 ]}เหล็กกล้า Twinning Induced Plasticity (TWIP) ใช้แรงดึงชนิดเฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสม^{[ 96 ]}

เหล็กกล้าคาร์บอนมักจะชุบสังกะสีด้วยวิธีจุ่มร้อนหรือชุบด้วยไฟฟ้าเพื่อป้องกันสนิม^{[ 97 ]}

เหล็กกล้าไร้สนิมประกอบด้วยโครเมียมอย่างน้อย 11% ซึ่งมักจะผสมกับนิกเกลเพื่อต้านทานการกัดกร่อนเหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิด เช่น เหล็กกล้าไร้ สนิมเฟอร์ริติกมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กในขณะที่บางชนิด เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกไม่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก^{[ 98 ]}เหล็กกล้าที่ทนต่อการกัดกร่อนจะใช้ตัวย่อว่า CRES ^{[ 99 ]}

เหล็กกล้าอัลลอยเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาที่เติมธาตุอัลลอยในปริมาณเล็กน้อย เช่น โครเมียมและวานาเดียม เหล็กกล้าสมัยใหม่บางชนิดได้แก่ เหล็กกล้าเครื่องมือซึ่งผสมกับทังสเตนและโคบอลต์หรือธาตุอื่นๆ ในปริมาณมากเพื่อเพิ่มความแข็งแบบละลาย ให้สูงสุด นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถใช้การแข็งตัวแบบตกตะกอนและปรับปรุงความทนทานต่ออุณหภูมิของอัลลอย ได้ ^{[ 7 ]}เหล็กกล้าเครื่องมือโดยทั่วไปใช้ในขวาน สว่าน และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ต้องการคมตัดที่คมและใช้งานได้นาน อัลลอยสำหรับวัตถุประสงค์พิเศษอื่นๆ ได้แก่ เหล็กกล้าทนต่อสภาพอากาศเช่น คอร์เทน ซึ่งจะทนต่อสภาพอากาศโดยการเกิดพื้นผิวที่เป็นสนิมอย่างมั่นคง จึงสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องทาสี^{[ 100 ]}เหล็กกล้ามาเรจิง ผสมกับนิกเกลและธาตุอื่นๆ แต่แตกต่างจากเหล็กกล้าส่วนใหญ่ตรงที่มีคาร์บอนน้อย (0.01%) ทำให้ได้ เหล็กกล้าที่แข็งแรงมากแต่ยังคงอ่อนตัวได้^{[ 101 ]}

เหล็ก Eglinใช้ส่วนผสมของธาตุต่างๆ มากกว่า 12 ชนิดในปริมาณที่แตกต่างกันเพื่อสร้างเหล็กต้นทุนต่ำสำหรับใช้ในอาวุธทำลายบังเกอร์เหล็ก Hadfieldซึ่งตั้งชื่อตามRobert Hadfieldหรือเหล็กแมงกานีส ประกอบด้วยแมงกานีส 12–14% ซึ่งเมื่อถูกขัดถูจะเกิดการแข็งตัวจากการเสียดสีจนเกิดเป็นผิวที่แข็งมากและทนต่อการสึกหรอ การใช้งานของโลหะผสมชนิดนี้ ได้แก่รางรถถังขอบใบมีดของรถดันดินและใบมีดตัดบน เครื่องมือตัด ช่วยชีวิต^{[ 102 ]}

โลหะผสมเหล็กที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่จะถูกจัดประเภทเป็นเกรดต่างๆ โดยองค์กรมาตรฐาน ตัวอย่างเช่นสมาคมวิศวกรยานยนต์มีชุดเกรดที่กำหนดเหล็กหลายประเภท^{[ 103 ]}สมาคมการทดสอบและวัสดุแห่งอเมริกามีชุดมาตรฐานแยกต่างหาก ซึ่งกำหนดโลหะผสม เช่นเหล็ก A36 ซึ่ง เป็นเหล็กโครงสร้างที่ใช้กันมากที่สุดในสหรัฐอเมริกา^{[ 104 ]} นอกจากนี้ JIS ยังกำหนดชุดเกรดเหล็ก^{[ 105 ]}ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในญี่ปุ่นและประเทศรอบข้าง^{[ 106 ]}

ก่อนการนำกระบวนการเบสเซเมอร์ และเทคนิคการผลิตสมัยใหม่อื่นๆ มา ใช้เหล็กมีราคาแพงและถูกใช้เฉพาะในกรณีที่ไม่มีทางเลือกอื่นที่ถูกกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคมมีดมีดโกนดาบและสิ่งของอื่นๆ ที่ต้องการคมที่แข็งและคม นอกจากนี้ยังใช้สำหรับสปริงรวมถึงสปริงที่ใช้ในนาฬิกาและเครื่องบอกเวลา^{[ 74 ]}

ด้วยการเกิดขึ้นของวิธีการผลิตที่รวดเร็วและถูกกว่า เหล็กจึงหาได้ง่ายขึ้นและมีราคาถูกลงมาก จึงได้เข้ามาแทนที่เหล็กดัดในหลายๆ ด้าน อย่างไรก็ตาม การมีพลาสติกในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ทำให้วัสดุเหล่านี้สามารถเข้ามาแทนที่เหล็กในบางการใช้งานได้ เนื่องจากต้นทุนการผลิตและน้ำหนักที่ต่ำกว่า^{[ 113 ]}เส้นใยคาร์บอนกำลังเข้ามาแทนที่เหล็กในการใช้งานเสริมแรง เนื่องจากมี ค่า โมดูลัส สูง (สูงกว่าเหล็กถึง 5 เท่า) แต่ต้นทุนที่สูงเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการขนส่ง^{[ 114 ]}

• ในฐานะเหล็กเสริมและตาข่ายในคอนกรีตเสริมเหล็ก^{[ 115 ]}
• รางรถไฟ^{[ 116 ]}
• เหล็กโครงสร้างในอาคารและสะพานสมัยใหม่^{[ 117 ]}
• สายไฟ^{[ 118 ]}
• ป้อนข้อมูลไปยังแอปพลิเคชันการตีขึ้นรูปใหม่^{[ 119 ]}

• เครื่องใช้ไฟฟ้าหลัก^{[ 120 ]}
• แกนแม่เหล็ก^{[ 121 ]}
• ตัวถังภายในและภายนอกของรถยนต์^{[ 122 ]}รถไฟ^{[ 122 ]}และเรือ^{[ 123 ]}

• ตู้คอนเทนเนอร์แบบหลายรูปแบบ^{[ 124 ]}
• ประติมากรรมกลางแจ้ง^{[ 125 ]}
• สถาปัตยกรรม^{[ 126 ]}

เหล็กที่ผลิตหลังสงครามโลกครั้งที่สองปนเปื้อนด้วยสารกัมมันตรังสีเนื่องจากการผลิตเหล็กใช้อากาศ และบรรยากาศปนเปื้อนด้วยฝุ่นกัมมันตรังสีที่เกิดจากการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์เหล็กที่มีพื้นหลังต่ำ เหล็กที่ผลิตก่อนปี 1945 ใช้สำหรับการใช้งานที่ไวต่อรังสีบางอย่าง เช่นเครื่องวัดรังสีไกเกอร์และการป้องกันรังสี^{[ 135 ]}