Ο χάλυβας είναι ένα κράμα ή μείγμα σιδήρου με άνθρακα και μικρές ποσότητες άλλων μετάλλων. Ο καθαρός σίδηρος μπορεί να λιώσει και να διαμορφωθεί, αλλά τείνει να είναι μαλακός. Η προσθήκη άνθρακα θα ενισχύσει το μέταλλο και οι περισσότεροι χάλυβες άνθρακα περιέχουν ένα έως δύο τοις εκατό άνθρακα. Ο μαύρος ανθρακούχο χάλυβας δημιουργείται κατά τη διαδικασία κατασκευής όταν οι υψηλές θερμοκρασίες δημιουργούν ένα λεπτό στρώμα οξειδωμένου σιδήρου στην εξωτερική επιφάνεια.
Ο άνθρακας συνδέεται χημικά με το σίδηρο σε κράματα χάλυβα, δημιουργώντας ένα πολύ σκληρότερο υλικό από τον καθαρό σίδηρο. Καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε άνθρακα, το υλικό γίνεται πιο σκληρό αλλά πιο εύθραυστο ή επιρρεπές σε θραύση υπό πίεση ή φορτίο. Ο χάλυβας που περιέχει άνθρακα σε ποσότητα άνω του 2% θεωρείται χυτοσίδηρος. μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σωληνώσεις και μη δομικά υλικά, αλλά θεωρείται πολύ εύθραυστο για δομικό χάλυβα.
Ο σίδηρος αντιδρά εύκολα με το οξυγόνο του αέρα, δημιουργώντας οξείδιο του σιδήρου ή σκουριά που θα προκαλέσει την αστοχία των εξαρτημάτων, επομένως συχνά επικαλύπτεται για να αποτρέψει τη σκουριά της επιφάνειας. Ένα πλεονέκτημα του μαύρου ανθρακούχου χάλυβα είναι η φυσική αντιδιαβρωτική ιδιότητα της επίστρωσης μαύρου οξειδίου του σιδήρου, επειδή το οξείδιο λειτουργεί ως φράγμα για να κρατήσει το οξυγόνο από το σίδερο κάτω. Το λεπτό στρώμα οξειδίου δημιουργείται σε υψηλές θερμοκρασίες, σχηματίζοντας ένα ανθεκτικό στρώμα που δεν απαιτεί περαιτέρω επεξεργασία ή επίστρωση.
Για εφαρμογές όπου η αντιδιαβρωτική προστασία είναι κρίσιμη, ο ανθρακούχος χάλυβας μπορεί να βαφτεί ή να γαλβανιστεί. Ο χάλυβας γαλβανίζεται με έκπλυση με οξύ και στη συνέχεια βυθίζοντας τον χάλυβα σε λουτρό τετηγμένου ψευδαργύρου. Ο ψευδάργυρος σχηματίζει ένα στρώμα στο εξωτερικό του χάλυβα και θα διαβρωθεί πρώτα όταν εκτεθεί στον αέρα ή την υγρασία. Ο γαλβανισμός θα βελτιώσει τη διάρκεια ζωής των χαλύβδινων εξαρτημάτων, αλλά δεν χρησιμοποιείται σε μαύρο ανθρακούχο χάλυβα, επειδή το στρώμα οξειδίου ήδη προστατεύει τον χάλυβα.
Ο μαύρος ανθρακούχο χάλυβας χρησιμοποιείται συχνά για σωληνώσεις αερίου ή νερού, επειδή έχει χαμηλό κόστος και μπορεί να συγκολληθεί χρησιμοποιώντας κοινές μεθόδους. Ορισμένοι αγωγοί πετρελαίου μεγάλων αποστάσεων έχουν χρησιμοποιήσει μαύρες σωληνώσεις από ανθρακούχο χάλυβα, επειδή ο σωλήνας μπορεί να συνδεθεί στο χωράφι και δεν θα σκουριάσει γρήγορα. Αυτός ο χάλυβας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κλίματα ή συνθήκες εδάφους που μπορούν να επιταχύνουν τη διάβρωση, αλλά μπορεί να χρειαστεί πρόσθετη προστασία όπως οι άνοδοι. Οι άνοδοι είναι θαμμένες ράβδοι από ψευδάργυρο που διαβρώνονται πρώτα όταν συνδέονται στον χαλύβδινο σωλήνα.
Τα μαγειρικά σκεύη μπορούν να ονομαστούν μαύρο ατσάλι, αλλά το σκούρο χρώμα είναι προϊόν μιας επεξεργασίας λαδιού που ονομάζεται καρύκευμα, αντί της κατασκευής. Ο ανθρακούχο χάλυβας συχνά επικαλύπτεται με λάδι για να αποφευχθεί η σκουριά, και τα μαγειρικά σκεύη από χάλυβα μπορούν να λαδωθούν και να θερμανθούν για να απορροφήσουν τα μόρια του λαδιού. Ο χάλυβας θα σκουρύνει και θα αποκτήσει κάποιες αντισκωριακές ιδιότητες, αλλά το καρύκευμα είναι μια προσωρινή επίστρωση και πρέπει να επαναλαμβάνεται περιοδικά.