Stal jest stopem metali, który składa się głównie z żelaza i zawiera od 0.2 do 2.1 procent węgla. Cała stal zawiera węgiel, ale termin „stal węglowa” odnosi się konkretnie do stali zawierającej węgiel jako główny składnik stopowy. Stal średniowęglowa to stal węglowa zawierająca od 0.30 do 0.60 procent węgla. Ma również zawartość manganu od 0.6 do 1.65 procent. Ten rodzaj stali zapewnia dobrą równowagę między wytrzymałością a ciągliwością i jest powszechny w wielu typach części stalowych.
Żelazo składa się z sieci krystalicznej atomów żelaza, które pozwalają atomom ślizgać się obok siebie, dzięki czemu czyste żelazo jest stosunkowo miękkie. Węgiel w stali zmniejsza tę tendencję, czyniąc stal średniowęglową twardszą od żelaza. Dodatkowe pierwiastki, takie jak chrom, mangan, wolfram i wanad, mogą również działać jako utwardzacze w stali. Dokładna proporcja tych pierwiastków determinuje specyficzne właściwości stali.
Dodatkowy węgiel sprawia, że stal jest twardsza, ale także bardziej krucha, więc produkcja stali węglowej wymaga zachowania równowagi między twardością a ciągliwością. Najczęstsze zastosowania stali średniowęglowej to ciężkie maszyny, takie jak osie, wały korbowe, sprzęgła i koła zębate. Stal o zawartości węgla od 0.4 do 0.6 procent jest powszechnie stosowana w przemyśle kolejowym do produkcji osi, szyn i kół.
Obróbka cieplna stali średniowęglowej znacząco zmienia właściwości mechaniczne, takie jak ciągliwość, twardość i wytrzymałość. Obróbka cieplna stali nieznacznie wpływa na inne właściwości, takie jak zdolność przewodzenia ciepła i elektryczności. Istnieje wiele metod obróbki cieplnej stali.
Zawartość węgla i manganu w stali średniowęglowej sprawia, że hartowanie i odpuszczanie jest najczęstszą metodą obróbki cieplnej dla tego rodzaju stali. Proces ten na ogół obejmuje wielokrotne podgrzewanie stali do temperatury niższej niż 1,333 °F (około 723 °C) i szybkie jej chłodzenie przez hartowanie w cieczy, takiej jak olej lub woda. Temperatura i czas tego procesu pozwala producentowi na precyzyjną kontrolę końcowych właściwości stali.
Hartowanie powierzchniowe to proces hartowania stali, który wpływa tylko na zewnętrzną powierzchnię stali. Daje to twardą, wodoodporną powierzchnię zewnętrzną z bardziej plastycznym wnętrzem. Stal węglowa jest często nawęglana, ponieważ trudno jest całkowicie utwardzić grubą część ze stali węglowej. Stal z większą ilością dodatków stopowych niż stal średniowęglowa ma większą zdolność do hartowania i może nie wymagać hartowania powierzchniowego.