Stahl ist eine Legierung von Metallen, die hauptsächlich aus Eisen besteht und 0.2 bis 2.1 Prozent Kohlenstoff enthält. Alle Stähle enthalten Kohlenstoff, aber der Begriff „Kohlenstoffstahl“ bezieht sich speziell auf Stahl, der Kohlenstoff als Hauptlegierungsbestandteil enthält. Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt ist Kohlenstoffstahl, der zwischen 0.30 und 0.60 Prozent Kohlenstoff enthält. Außerdem hat es einen Mangangehalt zwischen 0.6 und 1.65 Prozent. Diese Stahlsorte bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Duktilität und ist in vielen Arten von Stahlteilen üblich.
Eisen besteht aus einem Kristallgitter aus Eisenatomen, das die Atome aneinander vorbeigleiten lässt, wodurch reines Eisen relativ weich wird. Der Kohlenstoff im Stahl verringert diese Tendenz und macht Stahl mit mittlerem Kohlenstoff härter als Eisen. Auch zusätzliche Elemente wie Chrom, Mangan, Wolfram und Vanadium können als Härter im Stahl wirken. Der genaue Anteil dieser Elemente bestimmt die spezifischen Eigenschaften des Stahls.
Zusätzlicher Kohlenstoff macht den Stahl härter, aber auch spröder, daher erfordert die Herstellung von Kohlenstoffstahl ein Gleichgewicht zwischen Härte und Duktilität. Die häufigsten Anwendungen von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt finden sich in schweren Maschinen wie Achsen, Kurbelwellen, Kupplungen und Getrieben. Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0.4 und 0.6 Prozent wird in der Eisenbahnindustrie häufig zur Herstellung von Achsen, Schienen und Rädern verwendet.
Die Wärmebehandlung von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt verändert die mechanischen Eigenschaften wie Duktilität, Härte und Festigkeit erheblich. Die Wärmebehandlung von Stahl beeinflusst leicht andere Eigenschaften wie seine Fähigkeit, Wärme und Elektrizität zu leiten. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zum Behandeln von Stahl mit Wärme.
Der Kohlenstoff- und Mangangehalt in Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt macht das Abschrecken und Anlassen zur gebräuchlichsten Wärmebehandlungsmethode für diese Art von Stahl. Dieser Prozess beinhaltet im Allgemeinen das wiederholte Erhitzen des Stahls auf weniger als 1,333 °F (etwa 723 °C) und das schnelle Abkühlen durch Abschrecken in einer Flüssigkeit wie Öl oder Wasser. Die Temperatur und Zeit dieses Prozesses ermöglicht es dem Hersteller, die endgültigen Eigenschaften des Stahls genau zu kontrollieren.
Einsatzhärten ist ein Verfahren zum Härten von Stahl, das nur das Äußere des Stahls betrifft. Dadurch entsteht ein hartes, wasserabweisendes Äußeres mit einem duktileren Inneren. Kohlenstoffstahl wird häufig einsatzgehärtet, da es schwierig ist, ein dickes Kohlenstoffstahlteil vollständig zu härten. Stahl mit mehr Legierungsmitteln als Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt ist besser härtbar und muss möglicherweise nicht einsatzgehärtet werden.