通常含碳量小於1.35％的鐵碳合金，其中還含有限量以內的矽、錳和磷、硫等雜質及其他微量的殘餘元素。碳素鋼是近代工業中使用最早、用量最大的基本材料。世界各工業國傢，在努力增加低合金高強度鋼和合金鋼產量的同時，也非常註意改進碳素鋼品質，擴大品種和使用範圍。特別是20世紀50年代以來，氧氣轉爐煉鋼、爐外噴吹、連續鑄鋼和連續軋製等新技術被普遍採用，進一步改善瞭碳素鋼的品質，擴大瞭使用範圍。目前碳素鋼的產量在各國鋼總產量中的比重，約保持在80％左右，它不僅廣泛應用於於建築、橋梁、鐵道、車輛、船舶和各種機械制造工業，而且在近代的石油化學工業、海洋開發等方面，也得到大量使用。
類別 碳素鋼有各種分類方法，如按化學成分（即以含碳量）可分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。按鋼的品質可分為普通碳素鋼和優質碳素鋼。按用途則又可分為碳素結構鋼、碳素工具鋼。此外，還可以按冶煉方法和所保證的性能要求等來進行分類。
普通碳素結構鋼 又稱普通碳素鋼，對含碳量、性能范圍以及磷、硫和其他殘餘元素含量的限制較寬。在中國和某些國傢根據交貨的保證條件又分為三類：甲類鋼（A類鋼）是保證力學性能的鋼。乙類鋼（B類鋼）是保證化學成分的鋼。特類鋼(C類鋼)是既保證力學性能又保證化學成分的鋼，常用於制造較重要的結構件。中國目前生產和使用最多的是含碳量在0.20％左右的A3鋼(甲類3號鋼)，主要用於工程結構。
有的碳素結構鋼還添加微量的鋁或鈮（或其他碳化物形成元素）形成氮化物或碳化物微粒，以限制晶粒長大，使鋼強化，節約鋼材。在中國和某些國傢，為適應專業用鋼的特殊要求，對普通碳素結構鋼的化學成分和性能進行調整，從而發展瞭一系列普通碳素結構鋼的專業用鋼（如橋梁、建築、鋼筋、壓力容器用鋼等）。
優質碳素結構鋼 和普通碳素結構鋼相比，硫、磷及其他非金屬夾雜物的含量較低。根據含碳量和用途的不同，這類鋼大致又分為三類：①小於0.25％C為低碳鋼，其中尤以含碳低於0.10%的08F，08Al等，由於具有很好的深沖性和焊接性而被廣泛地用作深沖件如汽車、制罐……等。20G則是制造普通鍋爐的主要材料。此外，低碳鋼也廣泛地作為滲碳鋼，用於機械制造業。②0.25～0.60％C為中碳鋼，多在調質狀態下使用，制作機械制造工業的零件。③大於0.6％C為高碳鋼，多用於制造彈簧、齒輪、軋輥等。根據含錳量的不同，又可分為普通含錳量(0.25～0.8％)和較高含錳量(0.7～1.0％和0.9～1.2％)兩鋼組。錳能改善鋼的淬透性，強化鐵素體，提高鋼的屈服強度、抗拉強度和耐磨性。通常在含錳高的鋼的牌號後附加標記“Mn”，如15Mn、20Mn以區別於正常含錳量的碳素鋼。
碳素工具鋼 含碳量在0.65～1.35％之間，經熱處理後可得到高硬度和高耐磨性，主要用於制造各種工具、刃具、模具和量具（見工具鋼）。
化學成分對碳素鋼性能的影響 碳素鋼的性能主要取決於鋼的含碳量和顯微組織。在退火或熱軋狀態下，隨含碳量的增加，鋼的強度和硬度升高，而塑性和沖擊韌性下降（見圖）。焊接性和冷彎性變差。所以工程結構用鋼，常限制含碳量。
碳素鋼中的殘餘元素和雜質元素如錳、矽、鎳、磷、硫、氧、氮等，對碳素鋼的性能也有影響。這和影響有時互相加強，有時互相抵銷。例如：①硫、氧、氮都能增加鋼的熱脆性，而適量的錳可減少或部分抵銷其熱脆性。②殘餘元素除錳、鎳外都降低鋼的沖擊韌性，增加冷脆性。③除硫和氧降低強度外，其他雜質元素均在不同程度上提高鋼的強度。④幾乎所有的雜質元素都能降低鋼的塑性和焊接性。
氫在鋼中能造成很多嚴重缺陷，如產生白點、點狀偏析、氫脆、表面鼓泡和焊縫熱影響區內的裂縫等。為保證鋼的質量，必須盡可能降低鋼中氫的含量（見應力腐蝕斷裂和氫脆）。脫氧帶入的殘餘元素如鋁，可減小低碳鋼的時效傾向，還可以細化晶粒，提高鋼在低溫下的韌性，但餘量不宜過多。由爐料中帶入的殘餘元素如鎳、鉻、鉬、銅等，含量高時可提高鋼的淬透性，但對要求具有高塑性的專用鋼，如深沖用鋼板，則是不利的。
冶煉、加工對碳素鋼性能的影響 碳素鋼目前大都采用氧氣轉爐和平爐冶煉，優質碳素鋼也采用電弧爐生產。根據煉鋼過程脫氧程度的不同，碳素鋼可分為鎮靜鋼、沸騰鋼和介於兩者之間的半鎮靜鋼。冶煉方法對鋼的性能影響，主要是通過鋼的純凈度而起作用的。近年來人們通過真空處理、爐外精煉和噴吹技術等，都可獲得更高純凈度的鋼，從而顯著改善瞭碳素鋼的品質。
碳素鋼的塑性加工工藝通常分熱加工和冷加工。經過熱加工，鋼錠中的小氣泡、疏松等缺陷被焊合起來，使鋼的組織致密。同時，熱加工可破壞鑄態組織、細化晶粒。使鍛軋的鋼材比鑄態具有更好的力學性能。經冷加工的鋼，隨著冷塑性變形程度增大，強度和硬度增加，塑性和韌性降低。為提高成材率，廣泛應用連續鑄鋼工藝。
碳素鋼的時效 低碳鋼的時效通常有淬火時效和應變時效兩種，都是由間隙元素作用引起的，主要是由於碳、氮、氧的重新分佈所造成。
淬火時效 即鋼由高溫快速冷卻後性能隨時間而變化的現象。鋼中含碳量、脫氧程度和含氮量對淬火時效都有很大影響。低碳鋼、脫氧不充分的沸騰鋼和含氮量較高的鋼發生淬火時效最顯著。含碳約0.3％的中碳鋼，由淬火時效所引起的性能變化已大為減弱。含碳約0.6％的高碳鋼，實際上不起時效硬化作用（見金屬熱處理）。
應變時效 經冷加工變形後的性能隨時間而變化的現象。碳和氮對應變時效的影響，與對淬火時效的影響相似，磷也促進應變時效。低碳鋼因冷變形而消失的屈服點，隨時間的延長而逐漸恢復。應變時效比淬火時效更為復雜。如鋼材經淬火後再進行冷加工，無論在室溫或稍高溫度下，均將加速其應變時效。
碳素鋼的時效常給工業生產帶來很大危害，例如沸騰鋼焊接後，由於時效使焊接接頭熱影響區出現細小裂紋，嚴重影響焊接結構的安全性。但由於近代冶金技術的發展，和在工業生產中的應用，尤其是氧氣轉爐煉鋼能獲得更低的氮、氧含量，因此時效問題有所減輕。
參考書目
冶金工業部鋼鐵研究總院、第一汽車制造廠、上海汽輪機廠主編：《機械工程手冊》第12篇 鋼，機械工業出版社，北京，1982.
H.C.McGannon，The Making Shaping and Treating of Steel，United States Steel Corp.9th ed.，Pittsburgh，1971.
日本鉄鋼協會編：《鉄鋼便覧》，3版，Ⅳ卷，丸善株式會社，東京，1981。
ASM Handbook Committee，Metals Handbook，9th ed.，Vol.1，ASM，Ohio，1978.