Onder staal verstaat men elke legering van smeedbaar ijzer. Staal wordt uit ruwijzer bereid door verlaging van het koolstofgehalte tot hoogstens 1,7 %. Eerst dan wordt het ijzer smeedbaar. Bij hogere koolstofgehaltes wordt staal bros en moeilijk verwerkbaar. Naast koolstof bevat staal nog andere elementen, gewild (toevoegingen) of ongewild (verontreinigingen).
De eigenschappen van staal worden niet alleen bepaald door de chemische samenstelling, maar ook door de metallurgische structuur (de interne bouw van het materiaal). Die structuur hangt af van de warmtebehandeling die het staal tijdens of na de productie heeft ondergaan. Door de chemische samenstelling te wijzigen (legeren) en een bepaalde warmtebehandeling te kiezen kunnen de eigenschappen van het staal dus worden gevarieerd en aangepast aan de toepassingsvereisten. De vele variatiemogelijkheden in samenstelling en warmtebehandeling hebben er toe geleid dat er zeer veel staalsoorten zijn ontwikkeld. Men kent momenteel zo’n 3500 soorten staal. Zie ijzer (onder beschrijvende chemie).
De hardheid van staal hangt af van twee factoren: de chemische samenstelling (in het bijzonder het koolstofgehalte) en e warmtebehandeling die het tijdens de fabricage of daarna heeft ondergaan. Staal kan gehard worden door het tot boven een bepaalde temperatuur te verhitten en vervolgens het staal snel af te koelen, bijvoorbeeld in water of olie (afschrikken). De hardheidsverhoging die hierdoor ontstaat is een gevolg van het feit dat ijzerlegeringen, en dus ook staal, in verschillende kristalstructuren kunnen voorkomen: boven een bepaalde temperatuur in de vorm van austeniet, bij kamertemperatuur in de vorm van ferriet. Door de zeer hoge afkoelsnelheid in combinatie met de aanwezigheid van koolstofatomen wordt de transformatie van austeniet naar ferriet bemoeilijkt, en wordt een soort tussenstructuur (martensiet) gevormd.
De microstructuur van martensiet waargenomen onder een microscoop. Deze structuur wordt gekenmerkt door de naaldachtige structuur, de zogenoemde martensietschijven. Martensiet is een bron van inwendige spanningen en maakt het staal hard. Hoe hoger het koolstofgehalte en hoe sneller de afkoeling, hoe harder het staal.
Brandspiritus