Thế giới cổ đại ( Tiền sử ) có ba thời kỳ chính. Thời kỳ đồ đá ( Đồ đá cũ và đồ đá mới ), thời kỳ đồ đồng và thời kỳ đồ sắt.
Thời kỳ đồ đá cách đây khoảng 2,5 triệu năm là giai đoạn đầu tiên con người sử dụng kỹ thuật một cách rộng rãi trong tiến trình tiến hóa loài người và con người tiến từ phía các thảo nguyên ở Đông Phi về các phần còn lại của thế giới. Nó kết thúc với sự phát triển của nghề nấu chảy quặng đồng để gia công kim loại.
Tiếp sau thời kỳ đồ đá là thời kỳ đồ đồng. Sự chuyển giao của thời đồ đá diễn ra khoảng giữa 6000 TCN và 2500 TCN đối với đa số dân cư sống tại Bắc Phi, châu Á và châu Âu. Ở một số vùng, như Hạ Sahara châu Phi, thời đại đồ đá được nối tiếp trực tiếp bởi thời đồ sắt. Mọi người thường cho rằng các vùng ở Trung Đông và Đông Nam Á đã tiến triển vượt qua kỹ thuật thời đồ đá vào khoảng năm 6000 TCN. Châu Âu và phần còn lại của châu Á đã ở thời xã hội hậu đồ đá vào khoảng năm 4000 TCN. Các nền văn hóa tiền-Inca ở Nam Mỹ tiếp tục ở trình độ thời đồ đá đến tận khoảng năm 2000 TCN, khi vàng, đồng và bạc bắt đầu xuất hiện, những nơi khác xảy ra muộn hơn. Australia vẫn ở thời đồ đá tới tận thế kỷ 17.
Ảnh : Trống đồng Đông Sơn.
Loài người bắt đầu sử dụng kim loại vàng và đồng vào khoảng hơn 3000 năm trước công nguyên sau khi phát minh ra lửa. Được sử dụng sớm nhất là vàng và đồng vì có thể tìm thấy chúng ở dạng lộ thiên. Vàng được khai thác ở Atxyri, Babylon, Ai Cập và Hy Lạp. Quặng đồng được khai thác ở Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và Ai Cập. Sau vàng và đồng là thiếc, chì và thuỷ ngân. Các kim loại này thu được một cách ngẫu nhiên khi đốt lửa trại hoặc các đám cháy rừng (quặng cháy ở nhiệt độ cao thành kim loại ). Thiếc được luyện ra đầu tiên ở Trung Quốc.
Về sau người ta biết sử dụng hợp kim đồng với thiếc gọi là đồng thau. Đồng thau cứng và bền, thuận tiện cho việc chế tạo công cụ lao động, vũ khí và đồ thờ cúng. Việc sản xuất hợp kim này đã mở ra một thời đại mới, gọi là thời đại đồ đồng, đánh dấu sự phát triển nhảy vọt về lực lượng sản xuất.
Theo các tài liệu cổ, thời đại đồ sắt nối tiếp thời kỳ đồ đồng và bắt đầu vào thế kỷ 12 TCN tại Trung Đông cổ đại, Ấn Độ cổ đại và Hy Lạp cổ đại . Trong các khu vực khác của châu Âu, thời đại này bắt đầu muộn hơn nhiều. Thời đại đồ sắt bắt đầu vào thế kỷ 8 TCN tại Trung Âu và vào thế kỷ 6 TCN tại Bắc Âu. Việc sử dụng sắt, để nấu chảy và rèn thành các công cụ, đã xuất hiện tại nền văn minh Nok ở Tây Phi vào khoảng năm 1200 TCN.
Ảnh : Cột sắt Ấn Độ.
Thời đại đồ sắt tương ứng với giai đoạn mà sản xuất sắt là dạng phức tạp nhất trong nghề kim khí. Độ cứng lớn, nhiệt độ nóng chảy cao của sắt cũng như sự phổ biến của các loại quặng sắt làm cho sắt trở thành ưa thích hơn và "rẻ hơn" so với đồ đồng. Do công việc luyện sắt đã được người châu Âu trực tiếp đưa vào châu Mỹ và Australasia, nên ở các khu vực này hoàn toàn không có thời đại đồ sắt.
Loài người biết đến sắt do các thiên thạch rơi xuống trái đất. Thợ rèn ở Ai Cập, Atxyri, Trung Quốc đã chế tác thiên thạch thành dao găm, kiếm, vũ khí và đồ nữ trang. Về sau con người đã luyện ra được sắt từ quặng. Người ta cho rằng sắt được luyện ra đầu tiên ở vùng Capcadơ và chỉ được sử dụng rộng rãi khoảng 1200-1500 năm trước công nguyên. Trong thiên nhiên, quặng sắt nhiều hơn và giàu hơn các quặng đồng và thiếc. Vì vậy sắt dần dần thay thế đồng thau và trở thành kim loại được sử dụng nhiều nhất và thời đại đồ sắt bắt đầu.
Phát hiện ra nghề luyện sắt là một phát minh lớn, một kỳ công rực rỡ, một thành tựu vĩ đại của loài người nói chung. Quặng sắt ở khắp mọi nơi, trữ lượng lại nhiều, nhưng sắt không hề xuất hiện dưới dạng nguyên chất mà là một kim loại ẩn. Trong thiên nhiên, sắt luôn hòa hợp với ôxy, thường ở dưới dạng xù xì, xấu xí, màu nâu xám, ít được chú ý đến. Mặt khác, sắt là một kim loại khó nấu chảy. Đồng nóng chảy ở khoảng 1084ᵒC, đồng thau khoảng 700-900ᵒC, nhưng với độ nóng chảy ở 1530ᵒC của sắt, nếu không có sự hoàn thiện của kỹ thuật luyện kim thì không thể nào đạt được. Thời đại đồ sắt được bắt đầu tính đến trong lịch sử khi mà loài người đã biết rèn sắt để chế tạo các loại công cụ, vũ khí. Không phải ngay từ đầu người xưa đã biết nấu chảy sắt mà họ lấy sắt từ trạng thái bột xốp và dùng nó để làm nguyên liệu chế tạo hiện vật thông qua quá trình rèn. Phương pháp này được gọi là phương pháp thổi sống. Sắt là một kim loại mềm; muốn có được những công cụ sắc, bén, cứng như dao, kiếm, gươm, phải biết tiến hành hỗn hợp sắt và than trong quá trình luyện sắt và rèn sắt. Với phương pháp thổi sống, người xưa chỉ cần khoảng 900ᵒC là đủ. Lúc đầu tiên, khi mới phát sinh thuật luyện sắt, lò còn rất nhỏ, cấu tạo vô cùng đơn giản. Nói chung, lò thổi sống thường được xây bằng đá, trát hoặc đấp bằng bùn, có lỗ thông gió và thổi gió vào. Quặng sắt sau khi được sàng lọc, đập nhỏ, rửa sạch, sẽ được đem trộn với than củi, xếp theo từng lớp. Dụng cụ để thổi gió mỗi nơi một khác, nhưng nói chung gió được đưa vào lò theo những ống bằng đất sét. Cũng có nơi người xưa không thổi gió vào, mà cứ để cho nó cháy tự nhiên, chầm chậm, dần dần. Kỹ thuật luyện ở buổi ban đầu rất thô sơ và dựa trên nguyên tắc là khử cho hết ôxy ở trong quặng sắt để làm cho sắt hoàn nguyên. Lò nhỏ, hơi ít, nhiệt độ không cao, kỹ thuật đơn giản cho nên sắt được hoàn nguyên chỉ là sắt ở trạng thái bột xốp, lỗ trỗ như tổ ong, lẫn lộn với cứt sắt và các loại tạp chất khác đọng lại dưới đáy lò. Tuy vậy, người ta vẫn gọi chúng là những cục sắt tinh chất. Sau mỗi lần luyện sắt, phải đợi cho lò nguội hẳn mới phá lò lấy sắt ra. Những cục sắt tinh này cần phải được nung đỏ, đập rèn nhiều lần để thành ra những thỏi sắt chín có hình dáng nhất định. Sắt chín mềm hơn sắt sống nhưng có tính co giãn lớn hơn nên rất dễ rèn. Đó là nguyên liệu cơ bản để chế tạo công cụ, vũ khí. Những người thợ rèn sẽ tiếp tục gia công thêm công đoạn tôi thép như sau: nông cụ hay vũ khí được nung nóng lên nhiệt độ cao (khoảng trên 730 độ C – 800 độ C với đa số thép làm dao), ở nhiệt độ cao này, sẽ có biến đổi về cấu trúc bên trong khối thép, toàn bộ khối vật liệu được nung nóng sẽ có cấu trúc đồng nhất và mềm dẻo mang tên là Austenite (gọi theo tên nhà khoa học Austen), người thợ rèn sẽ giữ khối thép trong lò than một lúc đủ lâu để toàn bộ khối thép chuyển biến hết về cấu trúc bên trong, khi nhúng cả khối thép đang nóng đỏ như vậy vào nước lạnh, do nhiệt độ giảm đột ngột, bên trong khối thép sẽ chuyển sang cấu trúc có tên Martensite, là cấu trúc gồm các hình kim, có độ cứng rất cao; vì lý do đó, dao thép sau khi “nung đỏ – bỏ nước” sẽ có độ cứng cao hơn rất nhiều so với bình thường và dĩ nhiên là sắc bén hơn. Đến đây, quá trình luyện sắt xem như kết thúc. Kỹ thuật luyện sắt như thế thật là thô sơ, nhưng lúc đó đã là một thành tựu kiệt xuất trên con đường phát minh sáng tạo của nhân loại. Như vậy, biết sử dụng sắt để phục vụ cho mình, loài người có thể tạo ra những công cụ, vũ khí có công hiệu lớn.
Luyện kim là ngành công nghiệp sản xuất các kim loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác, chế biến các hợp kim, gia công phôi kim loại bằng áp lực, bằng cách thay đổi các thành phần hoá học và cấu trúc để tạo ra những tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng.Có bao nhiêu loại quặng thì có bấy nhiêu phương pháp giải phóng các kim loại ấy ra khỏi các quặng chứa chúng. Sau đó phải tinh luyện để các kim loại đạt được độ sạch cao. Pha trộn các kim loại đó để có các hợp kim đáp ứng được những yêu cầu mong muốn và tạo hình dáng cho chúng phù hợp với các nhu cầu sử dụng. Đó chính là công nghệ luyện kim, công nghệ tinh luyện, công nghệ hợp kim hóa, công nghệ đúc và công nghệ cán.
Sau khi có được kim loại và hợp kim, các nhà luyện kim còn làm thay đổi được cấu trúc và tính chất của chúng để các sản phẩm được chế tạo ra đáp ứng được những yêu cầu của cuộc sống.
