Ugljični čelik je metalna legura koja nastaje kao rezultat kombiniranja željeza i ugljika. Čelik se obično smatra ugljičnim čelikom kada udjeli ostalih elemenata u tragovima u njemu ne prelaze određene postotke. Maksimalni postoci obično su 1.65 posto za mangan i 0.6 posto za bakar i silicij. Postotak bakra mora biti najmanje 0.4 posto. Čelik koji također sadrži veće ili određene količine drugih elemenata, kao što su nikal, krom ili vanadij, naziva se legirani čelik.
Proizvođači dodaju ugljik u željezo kako bi učvrstili strukture u njemu i ojačali dobiveni metal. To je jedan od najisplativijih materijala za legiranje, a promjena količine ugljika mijenja svojstva čelika. Ugljični čelici mogu se klasificirati na čelike s niskim udjelom ugljika, srednje ugljične čelike, visokougljične čelike i ultravisoke ugljične čelike.
Čelici s vrlo niskim udjelom ugljika, oko 0.05 posto do 0.3 posto, nazivaju se čelici s niskim udjelom ugljika i slični su željezu. Vrlo su duktilne, što ih čini teškim za obradu. Koriste se za izradu ravno valjanih limova ili čeličnih traka koje se koriste za izradu brodova, proizvoda od žice, karoserija automobila, kućanskih aparata, limenih ploča i još mnogo toga. Čelici s niskim udjelom ugljika su jeftiniji, ali se ne mogu mijenjati toplinskom obradom, zbog čega se općenito koriste za izradu i obloge.
Povećanje sadržaja ugljika čini ugljični čelik tvrđim i jačim, ali smanjuje zavarljivost i duktilnost čelika i čini čelik krhkim. Proizvođači također dodaju ugljični čelik u tragovima druge legirne materijale koji ne utječu na svojstva čelika, ali im omogućuju kontrolu određenih kvaliteta čelika. Među zahvaćenim kvalitetama su elastičnost, čvrstoća i tvrdoća čelika.
Srednjeugljični čelici imaju veći sadržaj ugljika od oko 0.3 do 0.6 posto. Lakše se obrađuju, a neki proizvođači čeliku dodaju malo silicija i mangana kako bi poboljšali njegovu kvalitetu. Ovi čelici su još uvijek jeftini i koriste se za izradu stvari kao što su osovine, zupčanici, osovine, tračnice, cjevovodi i spojke.
Čelike s visokim udjelom ugljika vrlo je teško zavariti jer sadrže ugljik u rasponu od 0.6 do 1.0 posto. Oni također imaju veće udjele mangana, koji se dodaje kako bi se povećala kaljivost čelika. Čelik s visokim udjelom ugljika vrlo je osjetljiv na toplinu i lako se stvrdne plamenom, što mu omogućuje da se obrađuje u mnogo različitih oblika. Visokougljični čelici imaju veću vlačnu čvrstoću i koriste se za izradu proizvoda kao što su alati za rezanje, oštrice, opruge i žice visoke čvrstoće.
Ultravisokougljični čelici posjeduju ugljik u rasponu od 1.25 posto do 2.0 posto. Ovu vrstu ugljičnog čelika nije moguće hladno obrađivati, jer je prilično krhak. Ultravisokougljični čelici koriste se za izradu komponenti koje zahtijevaju ekstremnu tvrdoću, kao što su oštrice, alati za rezanje i veliki dijelovi. Vrlo su osjetljivi na toplinu i posjeduju dobru obradivost i vrhunsku otpornost na habanje.