L’acciaio è la lega metallica più comune al mondo. Nella sua forma più semplice, è costituito da ferro e quantità variabili di carbonio. Poiché sia il ferro che il carbonio sono noti fin dall’antichità, la lega è stata prodotta in una forma o nell’altra da molto prima della nascita di Cristo. Alcuni dei primissimi acciai furono prodotti nelle regioni orientali dell’Africa, intorno al 1400 a.C.
Il ferro è il componente principale dell’acciaio, mentre il carbonio è un secondo distante, tra lo 0.2% e il 2.14%, a seconda del grado. Il carbonio è il modo più economico per legare il ferro, ma altri metalli possono essere utilizzati per aumentare l’elemento e per conferire al metallo determinate proprietà. Il metallo noto come ghisa è in realtà un acciaio che ha un contenuto di carbonio molto alto, che gli conferisce un punto di fusione più basso e una maggiore colabilità. L’acciaio è noto per la sua robustezza, che gli viene data proprio dagli elementi di lega.
Quando il ferro è allo stato metallico solido, gli atomi formano una struttura reticolare cristallina. Sebbene questa struttura sia abbastanza rigida, possono esserci delle imperfezioni che creano piccoli punti deboli nel metallo. Gli atomi degli elementi di lega possono riempire questi punti deboli microscopici nel reticolo, conferendo alla lega la flessibilità e la resistenza alla trazione per cui è nota.
La moderna industria siderurgica produce il metallo attraverso l’uso di quella che viene chiamata la fornace ad ossigeno di base. In questi forni, il ferro fuso viene attraversato dall’ossigeno puro, abbassando i livelli di impurità. Per questo stesso scopo vengono aggiunti anche detergenti chiamati fondenti. Il principale vantaggio di questo processo, oltre a un prodotto di alta qualità, è la sua velocità.
I processi precedenti includevano il processo Bessemer, in cui l’aria veniva forzata attraverso il ferro fuso per ossidare le impurità. Il monossido di carbonio è un sottoprodotto di questo processo, con le altre impurità che formano scorie. L’invenzione del processo Bessemer è stata particolarmente degna di nota perché ha reso l’acciaio un prodotto di massa ed economico. La lega era stata prodotta con vari metodi nel Medioevo e prima, ma nessuno di questi era particolarmente efficiente, né poteva essere impiegato su larga scala.
Con il miglioramento delle tecniche di produzione dell’acciaio, è diventata disponibile una più ampia varietà di leghe. L’uso di diversi metalli, come il tungsteno e il cromo, può creare metalli su misura per applicazioni molto specifiche. La serie di proprietà che l’acciaio può conferire all’aggiunta di elementi diversi è vista, ad esempio, nel fatto che due cose così diverse come le spade dei samurai e le automobili sono entrambe fatte di ferro legato da altri metalli.