Чугун — это сплав системы «железо— углерод», в котором углерода более 2,14% по весу. Сталь — сплав той же системы, но в ней углерода меньше. В твердом состоянии растворимость углерода в железе ничтожна, поэтому во время охлаждения он в том или ином виде обособляется от железа. В стали углерод выделяется в виде цементита — карбида железа FeC3, и это происходит уже в твердом состоянии. В чугуне значительная доля углерода может выделяться уже в процессе затвердевания. Если скорость охлаждения велика, то он выделяется в виде цементита, и получается белый чугун — по цвету излома; у него высокая прочность и низкая пластичность. При малой скорости охлаждения углерод выделяется в виде графита — это более пластичный серый чугун. Твердость чугуна выше, чем у стали, поэтому обрабатывать его стало возможным после изобретения высокопрочных инструментальных сталей: чугунный замок распилить обычной ножовкой по металлу очень трудно. Поэтому чугунные детали обычно получают литьем, при котором не требуется значительной механической обработки для придания формы изделию. Длительной термической обработкой белого чугуна можно добиться такого изменения структуры, которое повысит его пластичность, — получится ковкий чугун.
Увеличение содержания цементита в поверхностных слоях металла повышает их прочность и твердость; этот процесс называется цементацией. Его осуществляют за счет нагрева детали в присутствии источника углерода — газообразного или твердого. Чем больше время нагрева, тем больше получается толщина упрочненного слоя и тем выше концентрация углерода на поверхности детали.
Чугун получают из руды и кокса — источника углерода, а сталь из чугуна с различными добавками. Суть технологии сводится к удалению излишнего углерода, при этом если углерода остается менее 0,7%, то получается низко- и среднеуглеродистая сталь, обладающая сравнительно низкой прочностью, но высокой пластичностью, из нее делают различные конструкции. Высокоуглеродистые стали — твердые, но хрупкие, идут на изготовление инструмента.
Основной современный сталеплавильный процесс — конверторный, запатентованный в 1857 году Генри Бессемером. В этом процессе жидкий чугун, налитый в специальный сосуд (конвертор), продувают сжатым воздухом или кислородом. При этом быстро выгорают все примеси, в первую очередь углерод, и получается сталь. Для получения легированной стали в конвертор добавляют соответствующие элементы, однако регулировать состав в процессе плавки нелегко. Как правило, если попасть в состав не удалось, металлурги выжигают излишние элементы и получают наиболее распространенную строительную сталь Ст3, содержание элементов в которой даны стандартом в широких пределах: углерода 0,14—0,22%, кремния 0,05—0,17%, марганца 0,4—0,65%, никеля, хрома и меди — до 0,3%.
В 1864 году Пьер Мартен предложил свой способ, который широко применялся в XX веке, а ныне претерпевает упадок. В мартеновскую печь загружают чугун с добавками лома или руды, над поверхностью расплавленного металла продувают горячий воздух: он нагревает металл, а содержащийся в воздухе кислород выжигает углерод. Возможно и бескислородное дутье, тогда вещества, окисляющие углерод, вводят в шихту. Плавка идет в десять раз дольше, чем в конверторе, в этом и недостаток, и преимущество мартеновского процесса. Недостаток — низкая производительность и высокая цена стали. Преимущество — возможность перерабатывать любые соотношения лома и чугуна, а также постепенно добавлять легирующие элементы, добиваясь требуемого состава. Поэтому мартеновским способом получают высококачественные стали. Еще более высококачественную сталь можно получить, выплавляя ее в маленьких горшках — тиглях. При этом вес плавки составляет несколько десятков килограммов, стоит такая сталь дорого и для промышленного производства не применяется.