เหล็กเป็นเช่นเดียวกับโลหะส่วนใหญ่คือพบบนพื้นผิวของโลกในรูปของธาตุ และพบได้ในบริเวณที่มีออกซิเจนหรือกำมะถัน แร่ที่มีเหล็กได้แก่ Fe2O3 ซึ่งอยู่ในรูปไอรอนออกไซด์ พบในแร่ฮีมาไทต์ และ FeS หรือไพไรต์[1] 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 [2]

แม้ว่าความเข้มข้นที่ใช้ผลิตเหล็กกล้าอยูในช่วงแคบ ส่วนผสมระหว่างคาร์บอนและเหล็กเกิดได้ในโครงสร้างที่ต่างกัน ซึ่งมีคุณสมบัติต่างกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องเข้าใจในการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพดี ที่อุณหภูมิห้อง รูปแบบที่เสถียรที่สุดของเหล็กเหล็ก a ซึ่งเป็นโลหะที่มีความอ่อนนุ่มปานกลางที่ละลายคาร์บอนได้ด้วยความเข้มข้นที่ต่ำ (น้อยกว่า 0.021% ที่ 910 ๐C) อุณหภูมิสูงกว่านี้ เฟอร์ไรต์จะเปลี่ยนรูปไปเป็นรูปแบบอัสเทไนต์หรือเหล็ก y ซึ่งมีความอ่อนนุ่มใกล้เคียงกันแต่ละลายคาร์บอนได้มากกว่า[3] เมื่ออัสเทไนต์ที่มีคาร์บอนมากเย็นตัวลง ส่วนผสมพยายามจะกลับไปจัดตัวแบบเฟอร์ไรต์ ทำให้มีคาร์บอนที่มากเกินไป วิธีหนึ่งที่คาร์บอนส่วนเกินจะออกมาจากอัสเทไนต์คือการเกิดซีเมนไตต์เพื่อตกตะกอนส่วนผสม ทำให้โลหะที่เหลือมีความบริสุทธิ์และกลับไปอยู่ในรูปเฟอร์ไรต์ได้ ทำให้ได้เป็นส่วนผสมของเฟอร์ไรต์-ซีเมนไตต์ ซีเมนไตต์มีสูตรโครงสร้างเป็น Fe3C รูปแบบของซีเมนไตต์เกิดในบริเวณที่มีคาร์บอนสูงในขณะที่บริเวณอื่นรอบๆเปลี่ยนรูปไปเป็นเฟอร์ไรต์