Čelik je legura ili mješavina željeza s ugljikom i malim količinama drugih metala. Čisto željezo može se topiti i oblikovati, ali ima tendenciju da bude mekano. Dodavanje ugljika ojačat će metal, a većina ugljičnih čelika sadrži jedan do dva posto ugljika. Crni ugljični čelik nastaje tijekom proizvodnog procesa kada visoke temperature stvaraju tanak sloj oksidiranog željeza na vanjskoj površini.
Ugljik se kemijski veže sa željezom u čeličnim legurama, stvarajući mnogo tvrđi materijal od čistog željeza. Kako se sadržaj ugljika povećava, materijal postaje tvrđi, ali krhkiji ili sklon lomljenju pod stresom ili opterećenjem. Čelik koji sadrži ugljik u količini većoj od 2% smatra se lijevanim željezom; ovo se može koristiti za cijevi i nestrukturne materijale, ali se smatra previše krhkim za konstrukcijski čelik.
Željezo lako reagira s kisikom u zraku, stvarajući željezni oksid ili hrđu koja će uzrokovati kvar dijelova, pa se često premazuje kako bi se spriječila površinska hrđa. Jedna od prednosti crnog ugljičnog čelika je prirodna antikorozivna svojstva premaza od crnog željeznog oksida, jer oksid djeluje kao barijera koja zadržava kisik iz željeza ispod. Tanki oksidni sloj stvara se pri visokim temperaturama, tvoreći izdržljiv sloj koji ne zahtijeva daljnju obradu ili premazivanje.
Za primjene gdje je zaštita od korozije kritična, ugljični čelik može biti obojen ili pocinčan. Čelik se pocinča tako da ga pere kiselinom, a zatim se čelik potapa u kupku od rastaljenog cinka. Cink tvori sloj na vanjskoj strani čelika i prvi će korodirati kada je izložen zraku ili vlazi. Pocinčanje će produžiti radni vijek čeličnih dijelova, ali se ne koristi na crnom ugljičnom čeliku, jer oksidni sloj već štiti čelik.
Crni ugljični čelik često se koristi za plinske ili vodovodne cijevi, jer ima niske cijene i može se zavariti uobičajenim metodama. Neki naftovodi na velikim udaljenostima koriste cijevi od crnog ugljičnog čelika, jer se cijev može spojiti na terenu i neće brzo hrđati. Ovaj se čelik može koristiti u klimatskim uvjetima ili uvjetima tla koji mogu ubrzati koroziju, ali može biti potrebna dodatna zaštita kao što su anode. Anode su ukopane šipke od cinka koje prve korodiraju kada su spojene na čeličnu cijev.
Posuđe se može nazvati crnim čelikom, ali tamna boja je proizvod obrade ulja koja se naziva začin, a ne proizvodnja. Ugljični čelik često je premazan uljem kako bi se spriječilo hrđanje, a čelično posuđe može se nauljiti i zagrijati kako bi se apsorbirale molekule ulja. Čelik će potamniti i dobiti neka svojstva za sprječavanje hrđe, ali začinjanje je privremeni premaz i mora se povremeno ponavljati.