Kulstofstål er et stål med et kulstofindhold fra ca. 0.05 op til 2.1 vægtprocent. Definitionen af kulstofstål fra American Iron and Steel Institute (AISI) siger:
intet minimumsindhold er specificeret eller påkrævet for at tilsætte chrom, cobalt, molybdæn, nikkel, niobium, titanium, wolfram, vanadium, zirconium eller andre grundstoffer for at opnå en ønsket legeringseffekt;
det angivne minimum for kobber overstiger ikke 0,40 procent;
eller det maksimale indhold, der er specificeret for et af følgende elementer, ikke overstiger de angivne procenter: mangan 1,65 %; silicium 0,60 procent; kobber 0,60 pct.
Udtrykket kulstofstål kan også bruges i forbindelse med stål, som ikke er rustfrit stål; i denne anvendelse kan kulstofstål omfatte legeret stål. Højkulstofstål har mange forskellige anvendelser såsom fræsemaskiner, skæreværktøjer (såsom mejsler) og højstyrketråde. Disse applikationer kræver en meget finere mikrostruktur, som forbedrer sejheden.
Kulstofstål er et populært metalvalg til knivfremstilling på grund af dets høje mængde kulstof, hvilket giver bladet mere kantfastholdelse. For at få mest muligt ud af denne type stål er det meget vigtigt at varmebehandle det ordentligt. Hvis ikke, kan kniven ende med at blive skør eller for blød til at holde en kant.
Når kulstofprocentindholdet stiger, har stål evnen til at blive hårdere og stærkere gennem varmebehandling; det bliver dog mindre duktilt. Uanset varmebehandlingen reducerer et højere kulstofindhold svejsbarheden. I kulstofstål sænker det højere kulstofindhold smeltepunktet.
