Stal węglowa to stop metali, który powstaje w wyniku połączenia żelaza i węgla. Stal zwykle jest uważana za stal węglową, gdy proporcje innych pierwiastków śladowych w niej nie przekraczają pewnych wartości procentowych. Maksymalne wartości procentowe zwykle wynoszą 1.65% dla manganu i 0.6% dla miedzi i krzemu. Zawartość miedzi musi wynosić co najmniej 0.4 procent. Stal, która zawiera również wyższe lub określone ilości innych pierwiastków, takich jak nikiel, chrom czy wanad, nazywana jest stalą stopową.
Producenci dodają węgiel do żelaza, aby zestalić w nim struktury i wzmocnić powstały metal. Jest to jeden z najbardziej opłacalnych materiałów stopowych, a zmiana ilości węgla zmienia właściwości stali. Stale węglowe można podzielić na stale niskowęglowe, średniowęglowe, wysokowęglowe i ultrawysokowęglowe.
Stale o bardzo niskiej zawartości węgla, około 0.05% do 0.3%, nazywane są stalami niskowęglowymi i są podobne do żelaza. Są bardzo plastyczne, co utrudnia ich obróbkę. Służą do produkcji płaskich blach walcowanych lub taśm stalowych, które są wykorzystywane do tworzenia statków, wyrobów z drutu, karoserii samochodowych, sprzętu AGD, blach blaszanych i innych. Stale niskowęglowe są tańsze, ale nie można ich zmienić przez obróbkę cieplną, dlatego generalnie stosuje się je do celów produkcyjnych i paneli.
Zwiększenie zawartości węgla sprawia, że stal węglowa jest twardsza i mocniejsza, ale zmniejsza spawalność i ciągliwość stali oraz sprawia, że stal jest bardziej krucha. Producenci dodają również śladowe ilości innych materiałów stopowych do stali węglowej, które nie wpływają na właściwości stali, ale pozwalają im kontrolować pewne właściwości stali. Wśród cech, których to dotyczy, są elastyczność, wytrzymałość i twardość stali.
Stale średniowęglowe mają wyższą zawartość węgla od około 0.3% do 0.6%. Są łatwiejsze w obróbce, a niektórzy producenci dodają trochę krzemu i manganu do stali, aby poprawić jej jakość. Stale te są nadal tanie i są używane do produkcji takich rzeczy jak osie, koła zębate, wały, szyny, rurociągi i sprzęgła.
Stale wysokowęglowe są bardzo trudne do spawania, ponieważ zawierają węgiel w zakresie od 0.6% do 1.0%. Posiadają również wyższy udział manganu, który jest dodawany w celu zwiększenia hartowności stali. Stal wysokowęglowa jest bardzo podatna na ciepło i łatwo twardnieje pod wpływem płomienia, co pozwala na obróbkę w wielu różnych formach. Stale wysokowęglowe mają większą wytrzymałość na rozciąganie i są wykorzystywane do tworzenia produktów takich jak narzędzia tnące, ostrza, sprężyny i druty o wysokiej wytrzymałości.
Stale o ultrawysokiej zawartości węgla zawierają węgiel w zakresie od 1.25 do 2.0 procent. Obróbka na zimno tego typu stali węglowej jest niemożliwa, ponieważ jest dość krucha. Stale ultrawysokowęglowe są używane do tworzenia elementów wymagających ekstremalnej twardości, takich jak ostrza, narzędzia tnące i duże części. Są bardzo wrażliwe na ciepło i mają dobrą obrabialność i doskonałą odporność na zużycie.