مقصود از این آلیاژها، آلیاژهایی است که اجزای اصلی آن ها را آهن و کربن تشکیل می دهند. در حدود ۰.۰۱ درصد از کربن حل شده در آهن، تشکیل محلول جامدی را می دهد که "فریت" نام دارد. اگر مقدار کربن موجود در آهن به ۶.۶۷ درصد برسد، ماده ی شیمیایی حاصله را "سمنتیت" می گویند. فریت و سمانتیت، آلیاژهای اصلی آهن و کربن هستند.

آلیاژهایی از آهن و کربن که دارای کربن کمی هستند، به آسانی برای عملیات مکانیکی (آهنگری و پرس کاری) مناسبند. از این آلیاژها فولادهای گوناگون ساخته می شود.

هر قدر مقدار کربن در آلیاژها بیش تر باشد، سمنتیت بیش تری تشکیل می شود و آلیاژ، سخت تر و شکننده تر خواهد بود. آلیاژهای آهن و کربن که درصد کربن آن ها زیاد است، در ریخته گری مصرف دارند و جزء دسته ی چدن هستند. چدن آلیاژی از آهن و کربن است که مقدار کربن آن از ۲ درصد بیش تر است. چدن های تجارتی تا ۵ درصد کربن دارند.

● فولاد

منظور از فولاد، آلیاژهای آهن و کربنی هستند که تا ۲ درصد کربن دارند. خواص مکانیکی فولاد، از خواص چدن بالاتر است. فولاد را می توان آب داد، نورد و آهنگری کرد. فولاد بسیار نیرومند و شکل پذیر است و به آسانی قابل تراش کاری است.

فولاد نرم که کمتر از ۰.۲۵ درصد کربن دارد، شکل پذیری خیلی خوبی داشته و قابل جوشکاری و آهنگری است و می توان روی آن نورد گرم و سرد انجام داد. این فولاد، موارد استعمال فراوانی در کلیه ی رشته های صنعتی به ویژه در مهندسی مکانیک دارد.

برای تهیه ی فولاد، چهار روش وجود دارد: روش کنورتور، روش ال.دی، روش اجاق باز یا زیمنس مارتین، و روش الکتریکی.

فولادها بسته به موارد استعمالشان، به دو دسته ی "فولادهای ساختمانی" و "فولادهای ابزار" تقسیم بندی می شوند. فولادهایی که کم تر از ۰.۶ درصد کربن دارند، فولادهای ساختمانی اند که نسبتا نرم، شکل پذیر و سمج هستند.

فولادهایی که بیش از ۰.۶ درصد کربن دارند، فولادهای ابزار نامیده می شوند. این فولادها، هم مقاوم تر و هم سخت ترند اما سماجت آن ها کم تر است. فولادهای ابزار کربن دار، به دو دسته ی فولادهای معمولی و مرغوب تقسیم می شوند.

● فولاد های زنگ نزن

فولادهای زنگ نزن، گروهی از فولادهای پر آلیاژ بر پایه ی سیستم های Fe Cr، Fe Cr C و Fe Cr Ni می باشند. برای زنگ نزن شدن، این فولادها باید حداقل حاوی ۱۰.۵%wt کروم باشند.

● تاریخچه ی فولاد زنگ نزن

افزودن کروم به فولادها و تأثیر آشکار آن بر مقاومت به خوردگی، در سال ۱۸۲۱ در ساخت قاشق و چنگال مشخص شد. آزمایشات ابتدایی با آلیاژها، نشان داد که با افزایش مقدار کروم، شکل پذیری فولاد کاهش می یابد (به دلیل مقدار کربن بالای این آلیاژهای اولیه) و تا اوایل قرن بیستم، به همین دلیل این آلیاژها چندان استفاده نشدند. مزیت فولادهای مقاوم به خوردگی در فاصله ی سال های ۱۹۰۰ تا ۱۹۱۵ مجددا نمود پیدا کرد و توسعه یافت. عامل بارز برای تکرار این فعالیت، تولید آلیاژهای کروم دار کم کربن در سال ۱۸۹۷ به وسیله ی "گلداشمیت" (Goldschmidt) در آلمان بود. پس از آن مقالاتی در این باره به چاپ رسید و تولید این فولادها مورد توجه قرار گرفت. مساله ی دیگری که تولید گسترده ی فولادهای زنگ نزن را مهیا ساخت، توسعه ی کوره ی ذوب قوس الکتریکی مستقیم در سال ۱۸۹۹ بود.

● تأثیر عناصر آلیاژ ساز

۱) کربن: این ماده، استحکام کششی و حد تسلیم فولاد را در حالت نورد شده افزایش می دهد. کربن، به ویژه با مقادیر بالا، فولاد را سختی پذیر و عملیات حرارتی پذیر می کند. قابلیت سخت کاری سطحی فولاد نیز با وجود کربن در آن افزایش می یابد.

۲) سیلیسیم: این ماده در تولید فولاد، به دلیل میل ترکیبی زیاد با اکسیژن موجود در فولاد مذاب، به عنوان یک عنصر اکسیژن زدا به کار می رود. جهت اکسیژن زدایی، حد اقل ۰.۱۵ درصد سیلیسیم لازم است. این عنصر، استحکام کششی فولادهای عملیات حرارتی نشده (حالت نورد شده) را به ازاء هر یک درصد حدود ۱۰۰ N/mm۲ افزایش می دهد. سیلیسیم در فولاد تنش تسلیم را نیز افزایش می دهد و بنابراین فنریت آن را حفظ می نماید. افزایش بیش از حد سیلیسیم، حساسیت فولاد در مقابل کربن زدایی را افزایش می دهد.

۳) منگنز: افزایش تقریبا ۱ درصد منگنز به فولاد در حالت بدون عملیات حرارتی، استحکام کششی و تنش تسلیم فولاد را تقیبا ۱۰۰ N/mm۲ افزایش می دهد. فولادهای منگنزدار چنانچه برای مدت طولانی در دمای بالا قرار بگیرند، ساختمان کریستالی آن ها درشت دانه شده و بدین ترتیب این گونه فولادها در مقابل افزایش زمان نگهداری و افزایش دما حساسیت دارند.

۴) فسفر: این عنصر نیز به نوبه ی خود قابلیت چقرمگی فولاد را کاهش می دهد. اضافه کردن فسفر به فولاد، قابلیت ماشین کاری آن را افزایش می دهد.

۵) گوگرد: این عنصر بیش تر به صورت سولفید منگنز در فولاد وجود دارد. گوگرد باعث بهبود قابلیت ماشین کاری فولادها می شود.

۶) کروم: کروم معمولا برای فولادهایی که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته اند، یکی از عناصر آلیاژی مهم به شمار می رود زیرا با افزایش درصد این عنصر (تا حد ۰.۳ درصد) قابلیت سختی پذیری عمقی و هم خاصیت چقرمگی آن را تا حد قابل توجهی بهبود می بخشد. کروم باعث بهبود استحکام گرمایی فولاد و مقاومت پوسته ای شدن آن می گردد. فولادهای با درصد کروم بالا (تا حد تقریبا ۱۲ درصد) زنگ نزن می باشند.

۷) مولیبدن: به علت بهبود خواص مختلف فولاد به وسیله ی مولیبدن، کاربرد این عنصر اجتناب ناپذیر شده است. وجود تقریبا ۰.۱۵ درصد مولیبدن در فولادهای کروم منگنز دار و کروم نیکل دار، شکنندگی بعد از برگشت آن ها را تا حد زیادی کاهش داده، همچنین مقدار ۰.۵ درصد از این عنصر، قابلیت سختی پذیری عمقی فولادهای بهسازی شده را بهبود می بخشد. اضافه کردن این عنصر از اضافه کربن دار شدن فولادهای کربوره جلوگیری کرده و قابلیت سختی پذیری سطحی و عمقی آن ها را افزایش می دهد. مولیبدن همچنین باعث افزایش مقاومت گرمایی فولاد در دراز مدت می شود.

۸) نیکل: افزایش این عنصر به فولاد، خاصیت چقرمگی را حتی در دمای پایین نیز بهبود می بخشد. همچنین قابلیت سختی پذیری عمقی فولاد را افزایش می دهد. مقدار فلز نیکل در فولادهای کربوره و بهسازی شده امروزه تا حد ۲ درصد می باشد. برای ایجاد قابلیت سختی پذیری عمقی و چقرمگی قطعات فورج، استفاده از آن اجتناب ناپذیر می باشد.

۹) وانادیم: این عنصر استحکام کششی فولاد را افزایش می دهد، مقاومت حرارتی و بازپخت را بهبود و میزان حساسیت به دمای بالا را کاهش می دهد.