คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพของเหล็ก

เหล็กเป็นโลหะผสม ซึ่งเป็นโลหะผสมที่ทำจากเหล็กและคาร์บอน ปริมาณคาร์บอนของเหล็กสูงถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากความแข็งและความแข็งแรง เหล็กจึงถูกใช้ในการก่อสร้างอาคาร สะพาน รถยนต์ และงานด้านการผลิตและวิศวกรรมอื่นๆ

เหล็กส่วนใหญ่ที่ผลิตในปัจจุบันเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาหรือเหล็กกล้าคาร์บอนเพียงอย่างเดียว คาร์บอนในเหล็กมีอยู่ในสถานะเหล็กคาร์ไบด์ ธาตุอื่นๆ เช่น กำมะถัน ฟอสฟอรัส แมงกานีส และซิลิกอน ก็มีอยู่เช่นกัน

เหล็กกล้าคาร์บอนถูกกำหนดให้เป็นเหล็กที่มีคุณสมบัติส่วนใหญ่เนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนและไม่มีซิลิกอนมากกว่า 0.5 เปอร์เซ็นต์และแมงกานีส 1.5 เปอร์เซ็นต์ เหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาซึ่งมีคาร์บอนตั้งแต่ 0.06 เปอร์เซ็นต์ถึงคาร์บอน 1.5% แบ่งออกเป็นสี่ประเภท:

• เหล็กกล้าอ่อนตาย คาร์บอนสูงสุด 0.15 เปอร์เซ็นต์
  
• เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรืออ่อน คาร์บอน 0.15 เปอร์เซ็นต์ถึง 0.45 เปอร์เซ็นต์ percent
  
• เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง คาร์บอน 0.45% ถึง 0.8%
  
• เหล็กกล้าคาร์บอนสูง คาร์บอน 0.8% ถึง 1.5 เปอร์เซ็นต์ 
  

เหล็กเหล่านี้พัฒนาจากอ่อนไปแข็งขึ้น แต่ก็มีแนวโน้มไปสู่ความเปราะบางที่เพิ่มขึ้นเช่นกัน ชนิดแรกใช้ในตัวถังรถยนต์ ประเภทที่สองพบได้ในรางและผลิตภัณฑ์ราง เช่น ข้อต่อ เพลาข้อเหวี่ยง เพลา เฟือง และการตีขึ้นรูป ประเภทที่สามใช้ในเครื่องมือตัดและรางรถไฟ และประเภทสุดท้ายใช้ในลูกสูบและกระบอกสูบ

เหล็กมีความหนาแน่น 7,850 กก./ลบ.ม³ทำให้มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ 7.85 เท่า จุดหลอมเหลวที่ 1,510 C นั้นสูงกว่าโลหะส่วนใหญ่ ในการเปรียบเทียบ จุดหลอมเหลวของทองแดงคือ 1,040 C ทองแดง 1,083 C เหล็กหล่อ 1,300 C และนิกเกิล 1,453 C อย่างไรก็ตาม ทังสเตนจะหลอมละลายที่อุณหภูมิ 3,410 องศาเซลเซียส ซึ่งไม่น่าแปลกใจเพราะองค์ประกอบนี้ใช้ในเส้นใยหลอดไฟ

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นของเหล็กที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส มีหน่วยเป็น µm ต่อเมตรต่อองศาเซลเซียส เท่ากับ 11.1 ซึ่งทำให้มีค่ามากกว่า ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของขนาดที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป เช่น ทองแดง (16.7) ดีบุก (21.4) และตะกั่ว (29.1).

เหล็กกล้าไร้สนิมถูกใช้ในการก่อสร้างเมื่อความต้านทานการกัดกร่อนเป็นสินทรัพย์หลัก เช่นเดียวกับมีดที่ต้องรักษาคมให้คม สาเหตุทั่วไปอีกประการหนึ่งที่ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมคือคุณสมบัติที่มีอุณหภูมิสูง ในบางโครงการ ความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงเป็นข้อกำหนดที่แน่นอน ในขณะที่โครงการอื่นๆ จำเป็นต้องมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง

โลหะอื่นๆ จำนวนเล็กน้อยที่เติมลงในเหล็กจะเปลี่ยนคุณสมบัติของโลหะในลักษณะที่เป็นประโยชน์ต่อการใช้งานในอุตสาหกรรมบางประเภท ตัวอย่างเช่น โคบอลต์ส่งผลให้การซึมผ่านของแม่เหล็กสูงขึ้นและถูกใช้ในแม่เหล็ก แมงกานีสช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็ง ผลิตภัณฑ์นี้เหมาะสำหรับการข้ามทางรถไฟที่มีงานหนัก โมลิบดีนัมจะคงความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นสารเติมแต่งนี้จึงมีประโยชน์เมื่อทำเคล็ดลับดอกสว่านความเร็ว นิกเกิลและโครเมียมต้านทานการกัดกร่อน และมักถูกเติมเข้าไปในการผลิตเครื่องมือผ่าตัดที่ทำจากเหล็ก