Инструментальные стали — углеродистые стали или легированные стали с высоким содержанием углерода; характеризуются высокой твердостью и красностойкостью. Для улучшения эксплуатационных свойств — твердости и износостойкости, то есть способности сохранять неизменные размеры и форму рабочей поверхности при трении с высокими давлениями, инструментальные стали подвергают термической обработке (закалке, отпуску). В зависимости от устойчивости против нагрева, возникающего в процессе эксплуатации, инструментальные стали подразделяют на три группы: стали с небольшой устойчивостью против нагрева, стали с повышенной устойчивостью против нагрева, стали, устойчивые против нагрева. Инструментальные стали используются для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, а также деталей машин, испытывающих повышенный износ при умеренных динамических нагрузках (шарикоподшипники и роликоподшипники, зубчатые колеса, ходовые винты в высокоточных станках).
Инструментальная углеродистая сталь относится к высокоуглеродистым сталям, содержит 0, 7-1, 3% углерода, что обеспечивает высокую твердость. По структуре эта сталь является заэвтектоидной. Инструментальная углеродистая сталь не отличаетсявысокой теплостойкостью, сохраняет высокую твердость до температуры 150-200 °C, поэтому применяется для резания мягких материалов с небольшой скоростью и для холодного деформирования. Инструментальная углеродистая сталь получает при закалке высокую твердость только в тонком поверхностном слое, сохраняя мягкую и вязкую сердцевину.
Инструментальные углеродистые стали маркируются буквой У, последующее число показывает содержание углерода в десятых долях процента, а буква А — улучшенное металлургическое качество. Из-за повышенной деформации при закалке с охлаждением в воде из инструментальной углеродистой стали марок У8, У10, У11, У12, У13 изготовляют преимущественно инструменты небольших размеров простой формы — напильники, зенкеры, ручные метчики. Углеродистые инструментальные стали У10, У11, У12, У13 используются также для изготовления измерительного, режущего (фрезы, сверла) и ударно-штамповочного инструмента (шабера), стали У7 и У8 применяются для изготовления деревообрабатывающего инструмента.
Инструментальная легированная сталь отличается от инструментальной углеродистой стали более высокой твердостью и износостойкостью, что достигается введением в нее карбидообразующих элементов (обычно хрома), содержание углерода при этом составляет 0, 8-1%. После закалки и низкого отпуска в инструментальных легированных сталях образуется мартенситная структура (мартенсит отпуска с равномерно распределенными карбидами), которая обеспечивает высокие режущие свойства. Легирование хромом и марганцем обеспечивает инструментальным сталям более высокую закаливаемость и прокаливаемость; легирование сталей вольфрамом, молибденом и ванадием повышает их красностойкость до 500-700 оС. К высоколегированным инструментальным сталям относятся быстрорежущие стали.
При маркировке инструментальных легированных сталей первые цифры показывают массовую долю углерода в десятых долях процента, но этот показатель может опускаться, если массовая доля углерода близка к единице. Буквы означают: Г — марганец, Х — хром, В — вольфрам, С — кремний, Ф — ванадий, Н — никель, М — молибден. Цифры, стоящие после букв, показывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых единицах. Если цифр нет, то массовая доля легирующего элемента близка к 1%. В отдельных случаях массовая доля легирующих элементов не указывается, если она не превышает 1, 8 %.
Для изготовления измерительного инструмента используются стали 12Х1, Х, обладающие высокой твердостью, износостойкостью, сохраняющие постоянство размеров и хорошо шлифующиеся. Для штампов холодного деформирования используются стали Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5В3МФС, 7ХГ2ВМ, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью и теплостойкостью. Для штампов горячего деформирования применяют стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, имеющие высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладающие износостойкостью и окалиностойкостью.
Стали для ударных инструментов 5ХВ2СФ, 6ХВ2С, 6Х3МФС обладают повышенной вязкостью, высокой прокаливаемостью и закаливаемостью в горячих средах. Из них изготавливают пневматические инструменты (зубила, вырубные, обрезанные и чеканочные штампы, рубильные ножи, штемпели). Быстрорежущие стали Р6М5, Р12Ф3, Р8М3К6С, Р9, Р8М3, Р8М5 помимо прочности и износостойкости при повышенных температурах обладают высокой теплостойкостью и твердостью.