由于其材料特性，钢铁可以说是最重要的工程和建筑材料。其魅力在于一种难得的结合：它既坚固又易于成形，既耐用又经济，而且通过调整原料成分和加工工艺，可以在极宽的范围内调节其性能。 钢材最宝贵的性能包括出色的可成形性和耐久性、良好的抗拉强度和屈服强度，以及良好的导热性；而在不锈钢品种中，其最显著的特性则是耐腐蚀性。
钢的性能通常分为几个大类。力学性能描述了钢在受力时的响应情况，包括强度、延展性、硬度和韧性。物理性能是材料固有的特性，包括密度、导热系数和弹性模量。 工艺性能，如可焊性、可加工性和可成形性，则描述了钢材被加工成成品零件的难易程度。本文重点探讨了在材料选择中起决定性作用的力学性能和物理性能。
在为特定应用选择材料时，工程师必须确信该材料能够承受使用过程中将面临的载荷条件和环境挑战。因此，清楚地了解并控制材料的性能至关重要，因为规格不足的钢材可能会在使用中失效，而规格过高的钢材则会增加不必要的成本和重量。
钢材的独特之处在于其力学性能可以被高度调控。 相同的基体成分，在某种状态下可以表现为软且易于成形，而在另一种状态下则可以变得极其坚硬且强度极高，这取决于所采用的加工工艺和热处理方法。这些处理通过改变钢的微观组织——即铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体等内部相的排列方式和类型——来发挥作用。 例如，提高碳含量会提高强度和硬度，但会降低延展性和可焊性；而退火、淬火和回火等热处理则会重新分配微观结构，以提高韧性或硬度。 由于这些变量之间存在相互作用，因此必须进行测试以确认钢材的最终性能，并验证其是否符合相关标准。
不同的试验分别测定不同的力学性能，每项试验都能向工程师提供关于钢材行为特性的独特信息。
拉伸试验用于评估钢材在受载时的结构响应，试验结果以应力-应变曲线的形式呈现。这条曲线可反映出若干关键性能。曲线的初始直线段代表弹性（可恢复）变形，其斜率即为杨氏模量，是衡量刚度的指标。 材料开始发生永久变形的点即为屈服强度，这是最常用的设计参数，因为大多数部件在使用过程中不得发生塑性变形。钢材所能承受的最高应力是其极限抗拉强度，而断裂前伸长的量（以伸长率百分比表示）则反映了其延展性。
弹性区域内的应力-应变比，即杨氏模量，是钢材最显著的特性之一。 对于钢而言，该值介于190至210 GPa之间，约为铝的3倍。这种高刚度是钢材被选用于必须限制挠度的结构中的主要原因之一；值得注意的是，尽管不同钢种的强度可能存在巨大差异，但其刚度值却几乎没有变化。
硬度衡量的是钢材抵抗局部表面变形的能力，其测定方法是将硬质压头压入表面，并测量由此产生的压痕。 常见的布氏、洛氏和维氏硬度标尺，各自采用不同的压头和载荷，且硬度通常与抗拉强度和耐磨性呈有益的相关性，因此它成为一种快速且广泛采用的质量检测方法。
相比之下，韧性则指钢材在断裂前能够吸收的能量，特别是在受到突然冲击时。它通常通过冲击试验来测量，例如夏比试验。 韧性尤为重要，因为许多钢材在低温下会变脆，这种现象被称为“延性-脆性转变”。理解这种转变对于在寒冷环境中运行的结构至关重要，因为在寒冷环境下，通常具有良好韧性的钢材可能会突然失效。
许多部件的失效并非由单次大负荷引起，而是由于长期承受反复的小幅循环载荷，这一过程被称为疲劳。 钢材的一个显著特点是，许多钢种都具有疲劳极限或耐久极限，即在该应力值以下，它们能够承受几乎无限的载荷循环而不会失效。这一特性对于旋转轴、车轴、弹簧以及其他承受持续循环应力的部件的设计至关重要。
钢的物理性能与该材料的基本物理特性相关，包括密度、热导率、弹性模量和泊松比。与力学性能不同，这些性能在很大程度上取决于铁基成分，且不同钢种之间的差异较小，因此下文列出的典型数值可作为设计计算的可靠起点。
导热率和热膨胀系数的范围较宽，这反映了合金化带来的影响：奥氏体不锈钢等高合金钢种的导热性较差，热膨胀系数也大于普通碳钢，这对焊接、热处理以及暴露在温度波动环境中的部件具有实际影响。
虽然强度和刚度是选择结构用钢的主要依据，但耐腐蚀性却是不锈钢牌号的决定性特性。这种耐腐蚀性源于至少约10.5%的铬含量，铬与氧气反应会形成一层薄而致密、具有自修复能力的氧化铬层，即所谓的钝化膜。 如果表面出现划痕，该膜层会在氧气存在下重新形成，从而使不锈钢在其整个使用寿命期间都能自我保护。镍和钼等添加元素进一步提高了其在特定环境中的耐腐蚀性，这也是为什么不锈钢被指定用于从食品加工到船舶和化工等广泛领域的应用。
本文介绍了决定钢材在使用中性能表现的力学和物理性能。该“钢材系列”中的其他指南则阐述了这些性能的来源及其定义方式。《钢材成分》解释了钢材中的化学元素如何决定其性能潜力，《钢材等级》则说明了材料如何被划分为您指定和采购的各类钢种。 《钢材规范》和《钢材标准》介绍了规定性能和成分限值的文件及框架，而《钢材等效性》则解释了在不同体系中匹配钢种时如何进行性能对比。这些指南共同将性能与成分、分类及其背后的标准联系起来。
钢的性能通常分为机械性能（如强度、硬度、延展性和韧性）、物理性能（如密度、导热率和弹性模量）以及工艺性能（如可焊性、可加工性和成形性）。
屈服强度是指钢材开始发生永久变形时的应力，也是设计中最常使用的数值。极限抗拉强度是指钢材在开始失效前所能承受的最大应力。拉伸试验可同时测定这两项参数，以及延展性和刚度。
杨氏模量反映了铁原子晶格的刚度，这种刚度不会因合金化或热处理而发生显著变化。在几乎所有工程钢牌号中，其值始终稳定在190至210 GPa之间。这意味着在弹性载荷作用下的挠度行为与钢种无关，这大大简化了结构设计。
这些性能通过化学成分、加工工艺和热处理来控制，这些因素共同决定了最终的微观组织。例如，提高碳含量会增加强度和硬度，但会降低延展性；而退火、淬火和回火等热处理工艺则可调节硬度与韧性之间的平衡。
不锈钢中铬的含量至少约为10.5%，铬会在表面形成一层薄而具有自修复能力的氧化铬钝化膜。这层钝化膜持续保护着下方的金属，而镍和钼等元素则能在更具腐蚀性的环境中增强其耐腐蚀性。