Ο χάλυβας είναι το πιο κοινό κράμα μετάλλων στον κόσμο. Στην απλούστερη μορφή του, αποτελείται από σίδηρο και ποικίλες ποσότητες άνθρακα. Επειδή τόσο ο σίδηρος όσο και ο άνθρακας ήταν γνωστοί από την αρχαιότητα, το κράμα παρήχθη με τη μια ή την άλλη μορφή πολύ πριν από τη γέννηση του Χριστού. Μερικοί από τους πιο πρώιμους χάλυβες κατασκευάστηκαν στις ανατολικές περιοχές της Αφρικής, περίπου το 1400 π.Χ.
Ο σίδηρος είναι το κύριο συστατικό του χάλυβα, με τον άνθρακα να είναι ένα μακρινό δεύτερο, σε ποσοστό μεταξύ 0.2% και 2.14%, ανάλογα με την ποιότητα. Ο άνθρακας είναι ο πιο οικονομικός τρόπος για το κράμα σιδήρου, αλλά άλλα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αυξήσουν το στοιχείο και να δώσουν στο μέταλλο ορισμένες ιδιότητες. Το μέταλλο γνωστό ως χυτοσίδηρος είναι στην πραγματικότητα χάλυβας που έχει πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, γεγονός που του δίνει χαμηλότερο σημείο τήξης και μεγαλύτερη ικανότητα χύτευσης. Ο χάλυβας είναι γνωστός για τη δύναμή του, η οποία του δίνεται ακριβώς από τα στοιχεία του κράματος.
Όταν ο σίδηρος βρίσκεται στη στερεά μεταλλική του κατάσταση, τα άτομα σχηματίζουν μια δομή κρυσταλλικού πλέγματος. Ενώ αυτή η δομή είναι αρκετά άκαμπτη, μπορεί να υπάρχουν ατέλειες σε αυτήν, οι οποίες δημιουργούν μικροσκοπικά αδύνατα σημεία στο μέταλλο. Τα άτομα των στοιχείων κράματος μπορούν να γεμίσουν αυτά τα μικροσκοπικά αδύναμα σημεία στο πλέγμα, δίνοντας στο κράμα την ευκαμψία και την αντοχή εφελκυσμού για τα οποία είναι γνωστό.
Η σύγχρονη βιομηχανία χάλυβα παράγει το μέταλλο με τη χρήση αυτού που ονομάζεται βασικός φούρνος οξυγόνου. Σε αυτούς τους κλιβάνους, ο λιωμένος σίδηρος διοχετεύεται από καθαρό οξυγόνο, μειώνοντας τα επίπεδα των ακαθαρσιών. Για τον ίδιο σκοπό προστίθενται επίσης καθαριστικά που ονομάζονται fluxes. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της διαδικασίας, εκτός από ένα προϊόν υψηλής ποιότητας, είναι η ταχύτητά της.
Οι προηγούμενες διεργασίες περιελάμβαναν τη διαδικασία Bessemer, όπου ο αέρας εξαναγκαζόταν μέσω λιωμένου σιδήρου για να οξειδώσει τις ακαθαρσίες. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι ένα υποπροϊόν αυτής της διαδικασίας, με τις άλλες ακαθαρσίες να σχηματίζουν σκωρία. Η εφεύρεση της διαδικασίας Bessemer ήταν ιδιαίτερα αξιοσημείωτη επειδή έκανε τον χάλυβα ένα μαζικής παραγωγής, φθηνό προϊόν. Το κράμα είχε παραχθεί με διάφορες μεθόδους κατά τον Μεσαίωνα και πριν, αλλά καμία από αυτές δεν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματική, ούτε μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλη κλίμακα.
Καθώς οι τεχνικές παραγωγής χάλυβα έχουν βελτιωθεί, έχει γίνει διαθέσιμη μια ευρύτερη ποικιλία κραμάτων. Η χρήση πολλών διαφορετικών μετάλλων, όπως το βολφράμιο και το χρώμιο, μπορεί να κάνει μέταλλο που είναι προσαρμοσμένο σε πολύ συγκεκριμένες εφαρμογές. Η σειρά ιδιοτήτων που μπορεί να δώσει ο χάλυβας με την προσθήκη διαφορετικών στοιχείων φαίνεται, για παράδειγμα, στο γεγονός ότι δύο πράγματα τόσο διαφορετικά όπως τα ξίφη των σαμουράι και τα αυτοκίνητα είναι κατασκευασμένα από σίδηρο που έχει κράμα από άλλα μέταλλα.