Ο χάλυβας είναι ένα κράμα μετάλλων που αποτελείται κυρίως από σίδηρο και περιέχει 0.2 έως 2.1 τοις εκατό άνθρακα. Όλος ο χάλυβας περιέχει άνθρακα, αλλά ο όρος «ανθρακοχάλυβας» ισχύει ειδικά για τον χάλυβα που περιέχει άνθρακα ως το κύριο συστατικό του κράματος. Ο χάλυβας μεσαίου άνθρακα είναι ανθρακούχο χάλυβας που περιέχει μεταξύ 0.30 και 0.60 τοις εκατό άνθρακα. Έχει επίσης περιεκτικότητα σε μαγγάνιο μεταξύ 0.6 και 1.65 τοις εκατό. Αυτός ο τύπος χάλυβα παρέχει μια καλή ισορροπία μεταξύ αντοχής και ολκιμότητας και είναι κοινός σε πολλούς τύπους χαλύβδινων εξαρτημάτων.
Ο σίδηρος αποτελείται από ένα κρυσταλλικό πλέγμα ατόμων σιδήρου που επιτρέπει στα άτομα να γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο, καθιστώντας τον καθαρό σίδηρο σχετικά μαλακό. Ο άνθρακας στον χάλυβα μειώνει αυτή την τάση, καθιστώντας τον μεσαίου άνθρακα χάλυβα σκληρότερο από τον σίδηρο. Πρόσθετα στοιχεία όπως το χρώμιο, το μαγγάνιο, το βολφράμιο και το βανάδιο μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως σκληρυντικοί παράγοντες στον χάλυβα. Η ακριβής αναλογία αυτών των στοιχείων καθορίζει τις ειδικές ιδιότητες του χάλυβα.
Ο πρόσθετος άνθρακας κάνει τον χάλυβα πιο σκληρό αλλά και πιο εύθραυστο, επομένως η κατασκευή ανθρακούχου χάλυβα απαιτεί ισορροπία μεταξύ σκληρότητας και ολκιμότητας. Οι πιο συνηθισμένες χρήσεις του χάλυβα μεσαίου άνθρακα είναι σε βαριά μηχανήματα, όπως άξονες, στροφαλοφόροι άξονες, ζεύξεις και γρανάζια. Ο χάλυβας με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεταξύ 0.4 και 0.6 τοις εκατό χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία σιδηροδρόμων για την κατασκευή αξόνων, σιδηροτροχιών και τροχών.
Η επεξεργασία του χάλυβα μεσαίου άνθρακα με θερμότητα αλλάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες, όπως η ολκιμότητα, η σκληρότητα και η αντοχή. Η θερμική επεξεργασία του χάλυβα επηρεάζει ελαφρώς άλλες ιδιότητες, όπως την ικανότητά του να μεταφέρει θερμότητα και ηλεκτρισμό επίσης. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι για την επεξεργασία του χάλυβα με θερμότητα.
Η περιεκτικότητα σε άνθρακα και μαγγάνιο στον χάλυβα μέτριας περιεκτικότητας σε άνθρακα καθιστά το σβήσιμο και το σκλήρυνση την πιο κοινή μέθοδο θερμικής επεξεργασίας για αυτόν τον τύπο χάλυβα. Αυτή η διαδικασία γενικά περιλαμβάνει την επανειλημμένη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία μικρότερη από 1,333°F (περίπου 723°C) και την ταχεία ψύξη του με απόσβεση του σε ένα υγρό όπως λάδι ή νερό. Η θερμοκρασία και ο χρόνος αυτής της διαδικασίας επιτρέπουν στον κατασκευαστή να ελέγχει με ακρίβεια τις τελικές ιδιότητες του χάλυβα.
Η σκλήρυνση της θήκης είναι μια διαδικασία για τη σκλήρυνση του χάλυβα που επηρεάζει μόνο το εξωτερικό του χάλυβα. Αυτό δημιουργεί ένα σκληρό, αδιάβροχο εξωτερικό με πιο όλκιμο εσωτερικό. Ο ανθρακούχο χάλυβας συχνά σκληρύνεται με θήκη, επειδή είναι δύσκολο να σκληρυνθεί εντελώς ένα παχύ τμήμα ανθρακούχου χάλυβα. Ο χάλυβας με περισσότερους κραματοποιητικούς παράγοντες από αυτόν του χάλυβα μεσαίου άνθρακα έχει μεγαλύτερη ικανότητα να σκληρύνεται και μπορεί να μην χρειάζεται να σκληρυνθεί με θήκη.