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.