Na twardość stali węglowej może wpływać wiele różnych czynników, w tym kontakt z węglem, ilość i rodzaj innych pierwiastków w stopie oraz specyficzne procesy stosowane do wytwarzania stali. Stal niskowęglowa, która zawiera od 0.05 do 0.25% węgla, jest zwykle najbardziej miękką odmianą, chociaż można ją utwardzić w procesie znanym jako nawęglanie. Stal o bardzo wysokiej zawartości węgla, która może zawierać do 2% węgla, jest zwykle najtwardszym typem, chociaż ostateczna twardość każdego produktu jest również określana przez różne procesy obróbki cieplnej. Procesy hartowania mogą zwiększyć twardość stali węglowej około czterokrotnie, chociaż późniejsze odpuszczanie zazwyczaj obniża twardość.
Stal węglowa to stop, który składa się głównie z żelaza i węgla. Mogą być również obecne inne pierwiastki, zazwyczaj w bardzo małych ilościach. Istnieje kilka różnych definicji tego, co dokładnie stanowi stal węglowa, chociaż pierwiastki takie jak krzem i miedź zwykle stanowią mniej niż 0.6% różnych stopów. Niektóre stopy stali węglowej mogą również zawierać do 1.6% pierwiastków, takich jak mangan. Ponieważ istnieje wiele różnych stopów, które są powszechnie określane jako stal węglowa, każdy rodzaj ma zwykle inną twardość.
Podstawowym czynnikiem wpływającym na twardość stali węglowej jest ilość węgla obecnego w stopie. Stale niskowęglowe są zwykle najbardziej miękkie, podczas gdy stale ultra wysokowęglowe mogą być dość twarde i kruche. Możliwa jest również zmiana właściwości fizycznych stali węglowej poprzez różne obróbki, w celu zwiększenia lub zmniejszenia twardości.
Mimo że stal niskowęglowa jest stosunkowo miękka, proces znany jako nawęglanie może spowodować jej twardość. Ten proces obróbki cieplnej w rzeczywistości powoduje, że stop absorbuje dodatkowy węgiel ze źródeł stałych, ciekłych i gazowych, takich jak węgiel drzewny i tlenek węgla. Węgiel jest zazwyczaj absorbowany tylko na powierzchni metalu, co skutkuje utwardzoną warstwą zewnętrzną i bardziej miękkim, plastycznym rdzeniem.
Stale węglowe o wysokiej zawartości są na początku bardzo trudne, ale procesy hartowania mogą sprawić, że staną się jeszcze trudniejsze. Jeśli jednak stop stali węglowej jest zbyt twardy, zazwyczaj jest również dość kruchy. Niektóre wyjątkowo twarde stopy są w rzeczywistości poddawane procesom hartowania i odpuszczania, które mogą zmniejszyć twardość stali węglowej i zwiększyć ciągliwość. Inne procesy, takie jak wyżarzanie, mogą również skutecznie zwiększyć ciągliwość i zmniejszyć ogólną twardość stali.