Het aanpassen van het koolstofgehalte is de eenvoudigste manier om de mechanische eigenschappen van staal te veranderen. Extra veranderingen worden mogelijk gemaakt door warmtebehandeling, bijvoorbeeld door de afkoelingssnelheid te versnellen door het austeniet-naar-ferriet transformatiepunt, weergegeven door de P-S-K-lijn in defiguur. (Deze transformatie wordt ook wel de Ar . genoemd1transformatie, r staan voor koeling , of koeling.) Door de koelsnelheid van perlitisch staal (0,77 procent koolstof) te verhogen tot ongeveer 200 ° C per minuut, wordt een DPH van ongeveer 300 gegenereerd, en afkoeling met 400 ° C per minuut verhoogt de DPH tot ongeveer 400. De reden hiervoor toenemende hardheid is de vorming van een fijnere perliet- en ferrietmicrostructuur dan kan worden verkregen tijdens langzame afkoeling in omgevingslucht. Als staal snel afkoelt, hebben koolstofatomen in principe minder tijd om door de roosters te bewegen en grotere carbiden te vormen. Nog sneller afkoelen, bijvoorbeeld door blussen het staal bij ongeveer 1000 ° C per minuut - resulteert in een volledige onderdrukking van de vorming van carbide en dwingt het ondergekoelde ferriet om een grote hoeveelheid koolstofatomen in oplossing te houden waarvoor het eigenlijk geen ruimte heeft. Dit genereert een nieuwe microstructuur, martensiet. De DPH van martensiet is ongeveer 1.000; het is de hardste en meest broze vorm van staal. Ontlaten van martensitisch staal — d.w.z., het verhogen van de temperatuur tot een punt zoals 400 ° C en het een tijdje vasthouden - vermindert de hardheid en broosheid en produceert een sterk en taai staal. Quench-and-temper warmtebehandelingen worden toegepast bij veel verschillende koelsnelheden, houdtijden en temperaturen; ze vormen een zeer belangrijk middel om de eigenschappen van staal te controleren. (Zie ook hieronder Behandelen van staal: Warmtebehandeling .)
Een derde manier om de eigenschappen van staal te veranderen is door andere legeringselementen dan koolstof toe te voegen die eigenschappen produceren die niet haalbaar zijn in gewoon koolstofstaal. Elk van de ongeveer 20 elementen die worden gebruikt voor het legeren van staal, heeft een duidelijke invloed op de microstructuur en op de temperatuur, houdtijd en afkoelsnelheden waarmee microstructuren veranderen. Ze veranderen de transformatiepunten tussen ferriet en austeniet, wijzigen de oplossing en diffusie en concurreren met andere elementen bij het vormen van intermetallische verbindingen zoals carbiden en nitriden. Er is een enorme hoeveelheid empirisch informatie over hoe legeren de warmtebehandelingsomstandigheden, microstructuren en eigenschappen beïnvloedt. Daarnaast is er een goed theoretisch begrip van principes, waarmee ingenieurs met behulp van computers de microstructuren en eigenschappen van staal kunnen voorspellen bij het legeren, warmwalsen, warmtebehandeling en koudvervormen op welke manier dan ook.
Een goed voorbeeld van de effecten van legeren is het maken van een hogesterktestaal met een goede lasbaarheid. Dit kan niet door alleen koolstof als versterkingsmiddel te gebruiken, omdat koolstof broze zones rond de las creëert, maar het kan wel door koolstof laag te houden en kleine hoeveelheden andere versterkende elementen toe te voegen, zoals nikkel of mangaan. In principe wordt de versterking van metalen bereikt door de weerstand van roosterstructuren tegen de beweging van dislocaties te vergroten. Dislocaties zijn storingen in de roosters van kristallen die het mogelijk maken om metalen te vormen. Wanneer elementen zoals nikkel in een vaste oplossing in ferriet worden gehouden, worden hun atomen ingebed in de ijzeren roosters en blokkeren ze de bewegingen van dislocaties. Dit fenomeen wordt oplossingsharding genoemd. Een nog grotere sterktetoename wordt bereikt door precipitatieharden, waarbij bepaalde elementen ( bijv. titanium, niobium en vanadium) blijven niet in vaste oplossing in ferriet tijdens het afkoelen van staal, maar vormen in plaats daarvan fijn gedispergeerde, extreem kleine carbide- of nitridekristallen, die ook de stroom van dislocaties effectief beperken. Bovendien genereren de meeste van deze sterke carbide- of nitridevormers een kleine korrelgrootte, omdat hun precipitaten een kiemvormend effect hebben en de kristalgroei vertragen tijdens herkristallisatie van het koelmetaal. Het produceren van een kleine korrelgrootte is een andere methode om staal te versterken, aangezien korrelgrenzen ook de stroom van dislocaties beperken.
Legeringselementen hebben een sterke invloed op de warmtebehandeling, omdat ze de neiging hebben om de diffusie van atomen door de ijzerroosters te vertragen en daardoor de allotrope transformaties te vertragen. Dit betekent bijvoorbeeld dat het extreem harde martensiet, dat normaal gesproken wordt geproduceerd door snel afschrikken, met lagere koelsnelheden kan worden geproduceerd. Dit resulteert in minder inwendige spanning en vooral een diepere verharde zone in het werkstuk. Verbeterde hardbaarheid wordt bereikt door toevoeging van elementen als mangaan, molybdeen, chroom , nikkel en boor . Deze legeringsmiddelen laten ook temperen bij hogere temperaturen toe, wat een betere ductiliteit genereert bij dezelfde hardheid en sterkte.
