决定钢材机械和加工等性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，与钢材的冶炼、浇注、轧制等生产过程也有密切的关系。此外，钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态、及其所的环境温度等对其钢材的机械性能也有重要的影响。
一、 化学成分
钢的主要化学成分是铁（Fe，在普通碳素钢中约占99%）和少量的碳（C）。此外有锰（Mn）、硅（Si）、等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）、氢（H）、等有害杂质元素。在合金钢中还有特意添加以改善钢材性能的某些合金元素,如锰、钒（V）等。碳、锰、硅和杂质元素以及合金元素的含量虽少,但对钢材性能有很大的影向。
碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性（钢材对焊接的适应性，主要指在一定的焊接工艺条件下获得优质焊接接头的难易程度）有决定性的影向。随着碳含量的增加，钢材的抗拉强度和降服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。钢结构的钢材不但应有较高的强度，而且应有良好的塑性、较好的焊接性（对焊接结构）和冷弯性能以及必要的韧性。所以结构钢材的碳含量不能过高，通常不超过0.26%。
锰是结构钢的常有元素。在碳素钢中多是炼钢时作为脱氧剂加入钢液的元素，通常含量为0.5~1.6%；在低合金锰钢中是作为合金元素，在A992钢和SN钢种中其含量为0.5~1.5%左右。钢的锰含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高其降服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲击韧性；锰对脱除钢中有害元素氧的含量有作用；锰还能与钢中的硫在高温下化合成熔点很高（约1600 C，远高于钢材的一般加工温度）的硫化锰（MnS），因而减除硫的有害作用，使钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象减少。但是过量的锰含量会使钢材变脆和塑性降低。
硅与钢液中的氧有较强的化合作用，且能使钢中铁体晶粒细小和散布均匀，是熔炼有较好性能的镇静钢的一种常用的脱氧剂。适量的硅可提高钢材的强度，而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性无显著的不良影向。过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性，恶化其抗腐蚀能力和焊接性。结构钢中硅含量一段不超过0.4%（A36钢）或0.55%（SM、SN钢）。
钒是熔炼锰钒低合金钢时特意添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒；钒的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。A572钢A992钢就是在低合金锰钢基础上加入适量（0.01~0.15%）的钒而熔炼成功的一种新的强度较高的低合金结构钢。
硫和磷是钢中两种十分有害的元素。硫与铁化合生成硫化铁（FeS），散布在纯铁体的间层中，当温度在800～1200 C时熔化而使钢材出现裂纹，称为“热脆”现象，使钢的焊接性变坏；硫还将降低钢材的塑性和冲击韧性。因此，应严格限制结构尤其是焊接结构钢材的硫含量，一般要求不超过0.035～0.050%。
氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。
二、 冶炼、浇注、轧制过程的影响
我国目前钢结构用钢主要是由电炉和氧气转炉冶炼而成的，这两种冶炼方法炼制的钢的质量大体相当。钢冶炼后因浇注方法（脱氧程度或方法）的不同而分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。
沸腾钢是在炉中和盛钢桶中的熔炼钢液中使用弱脱氧剂锰铁进行脱氧。当钢液浇铸时，钢液中仍保留有相当多的氧化铁，与其中的碳等化合生成一氧化碳（CO）等气体大量逸出，致使钢液剧烈“沸腾”，故称沸腾钢（又称静面钢）。这种钢铸锭后冷却速度快，溶于钢液中的气体不能全部逸出，且易形成气泡包在钢锭内；还使硫、磷杂质分在不匀，出现其局部富集的所谓“偏析”现象。钢的“偏析”及分布不均的气泡，不但使钢材质量不均匀，而且常使轧制钢材产生分层，降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂（即钢板在厚度方向受拉而分层破坏）的能力。但是，沸腾钢生产简单，价格便宜，质量能满足一般承重钢结构的要求，因而应用较多。
镇静钢（又称全净钢）是在熔炼钢液中加入适量的强脱氧剂硅（或铝）和锰等，进行较彻底脱氧，因而钢液铸锭时不再发生沸腾现象而在锭模内平静地逐渐冷却，故称镇静钢。由于钢液不沸腾、冷却速度较慢，残留气体较易逸出，因而质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小。与沸腾钢相比，其冲击韧性和焊接性较好，冷脆和时效敏感性较小，强度和塑性也略高。但镇静钢需要一定量的强脱氧剂，铸锭时需要适当保温，因而生产过程较复杂，冷却后钢锭头部缩凹而需要切除的部分较多，致使收得率低（约80%），因而价格较高。
半镇静钢（又称半净钢）是在熔炼钢液中加入少量强脱氧剂硅（或铝），脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。
特殊镇静钢的脱氧要求比镇静钢更高，一般并应含有足够的形成细晶粒结构的元素，如铝等，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。
由铸胚轧制钢材，是把钢胚再加热至1200～1300 C的高温后进行的。这时钢具有较好的热塑性和可锻焊性。轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制方向的强度和冲击韧性等机械性能比其横向的要好。
三、 热处理的作用
普通钢材轧制后是自然堆放冷却而不做热处理。如经适当的热处理，则可显著提高其强度并保持其良好的塑性和韧性。一般钢结构中目前尚不采用热处理钢材，使对少数强度较高的低合金结构钢，规定应经热处理，高强度螺栓则是用一些强度较高的优质碳素结构钢或低合金结构钢，制成螺栓后进行热处理调质（淬火后高温回火），以进一步提高其强度和质量性能。
四、残余应力的影响
热轧型钢中的热轧残余应力是因其热轧后不均匀冷却而产生的。型钢热轧终结时，截面各处的温度大体相同，但其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触表面多而冷固较快，其余部分冷固较迟。先冷却部位常形成强劲的约束，阻止后冷却部位金属的自由收缩，从而常使随后冷却部位受拉，在型钢中产生复杂的残余应力分布。此后钢材的调直和加工（剪切、气割、焊接等）还将改变这种分布。钢材或构件经退火或其它方法处理后，其残余应力可部分乃至全部消除。
显然，不同形状、尺寸和规格型钢的截面残余应力分布各不相同，相同型钢的截面残余应力分布也因热轧后的堆放、冷却条件和随后的调直方法等不同而有差别。热轧工字钢和H型钢截面残余应力典型化的分布状况如图4（a）、（b），其具体分布和峰值随截面高寛比值和各个板件间厚度比例的不同而有差别。热轧角钢截面残余应力的分布大体如图4（c）。热轧钢板截面残余应力的分布大体为边缘受压、中门受拉的拋物线形，如图4（d）。
残余应力是一种自相平衡（每个截面的内力和力矩自相平衡）的应力。如将钢材截面进行分割，则原有平衡破坏，故残余应力的分布和大小将改变。
构件承受荷载时，荷载引起的应力将与截面残余应力迭加，从而使构件某些部位提前达到降服强度并发展塑性变形。此后继续增长的荷载将只由截面弹性区承受而塑性区的压力不再增加。这样，构件达到强度极限状态时的截面应力状态将与没有残余应力时完全相同，即残余应力不影向构件强度。但是，由于截面塑性区退出受力和发展塑性变形，残余应力将降低构件的刚度和稳定性。此外，残余应力尤其是焊接残余应力与荷载应力迭加后，常使钢材处于二维或三维的复杂应力状态下受力，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。
五、温度的影响
钢材的机械性能随温度的不同而有变化，如图5所示。由图可见，当温度升高时，钢材的降服强度fy、抗拉强度fu、和弹性模量E的总趋势是降低的，但在150 C以下时变化不大。当温度在250 C左右时，钢材的fu 反而有较大提高，但这时的相应伸长率 较低、冲击韧性变差，钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，称为“蓝脆”。如在“蓝脆”温度范围内进行钢材的机械加工，则易产生裂纹，故应力求避免。当温度超过300 C时，钢材的fu、fy 和E开始显著下降，而开始显著增大，钢材产生徐变；当温度超过400 C时，强度和弹性模量都急剧降低；达600 C时其承载能力几乎完全丧失。
钢材的温度由常温下降特别是在负温度范围内时，钢材的强度（fy、fu）等虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加。图2-6 是钢材冲击韧性在常温以下随温度变化的示意曲线。由图可见，温度t＞T2 的高Akv 值部分和t＜T1 的低Akv 值部分的曲线较不缓，表明钢材冲击韧性随温度的变化不很敏感；而T1＜t＜T2的中间部分曲线的变化急剧，表明其冲击韧性Akv 值随温度的变化很大且其实际试验值不稳定，该T1～T2 区段是钢材由塑性破坏（具有较高的Akv值）转到脆性破坏（Akv 值较低）的转变温度区，其间曲线反弯点所对应的温度T0常称为该钢材的脆性转变温度。每种钢材的脆性转变温度区T1～T2 需由大量的试验和统计分析确定。钢结构设计中应防止脆性破坏，因而选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度T1 低于结构所处的工作环境温度，且钢材在工作环境温度下具有足够的冲击韧性值；但一般并不要求钢材脆性转变温度区的上限温度T2低于结构的工作环境温度，因为这样虽使结构更安全可靠但将造成选材因难和浪费。
六、冷加工和时效硬化
钢材在弹性范围内重复加、卸荷载一般不致改变钢材的性能；超过此范围时则将引起钢材性能的变化。例如图7钢材重复加载的σ-ε 曲线表明：当第一次加载（由O点开始）至已经发展塑性变形的J点后完全卸除至O′点；当再次加载时σ-ε 曲线大致将按卸除时的原有直线O′J回升，荷载更大时再沿原来的钢材一次加载情况的σ-ε 曲线的JGF 前进，表现为钢材的降服强度提高，弹性范围增加，塑性和伸长率降低。钢材的这一性质称为冷加工（或冷作）硬化或应变硬化。钢材在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷加工时都有很大的塑性变形，因而产生冷作硬化。冷作硬化虽可提高钢材的降服强度，但同时降低塑性和增加脆性，对钢结构特别是承受动力荷载的钢结构是不利的。因此，钢结构设计中一般不利用冷作硬化对钢材降服强度的提高，而且对直接承受较大动力荷载的钢结构还应设法免除冷作硬化的影向，例如刨去钢板因剪切形成皂冷作硬化边缘金属等。
钢材随时间进展将使降服强度和抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低，称为时效硬化（如图8，σ-ε曲线由a转变为b）。这是由于钢在高温时溶于其纯铁体中极少量的氮等，随着时间的延长从纯铁体中析出，并形成自由氮化物而存在于纯铁体晶粒间的滑动面上阻止了纯铁晶粒间的滑移，因而约束了塑性发展的缘故。
不同种类钢材的时效硬化过程的时间长短很不相同，可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的机械性能，常先使钢材产生约10% 的塑性变形，再加热到一定的温度，然后冷却到室温进行试验，这样可大大缩短钢材的时效过程，这称为人工时效。
图8 的c曲线为应变硬化及时效后的σ-ε曲线，即先加载（自O点开始）至发展塑性性变形的J点，然后卸除到 O′点；经一段时间，即时效硬化后将是c即O′JH′曲线。
七、应力集中的影响
钢材标准拉伸试验采用经机加工的光滑圆形或板状试件，在轴心拉力作用下截面应力分布均匀。实际钢结构中常有孔洞、缺口等，致使构件截面突然改变。在荷载作用下，这些截面突变处的某些部位（孔洞边缘或缺口尖端等处）将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀（图9），这种现象称应力集中。通常把截面高峰应力与平均应力（当截面受轴心力作用时）的比值称为应力集中系数，其值可表明应力集中程度的高低，它取决于构件截面突然改变的急剧程度。例如图9a、b 说明槽孔尖端处的应力集中程度比圆孔边缘要高得多。
在应力集中的高峰应力区内，通常存在着同号的平面或立体（三维）应力状态，这种应力状态常使钢材的变形发展困难而导致脆性状态破坏。图10是带有不同槽口试件的静力拉伸试验的应力－应变曲线。
由图可见，截面槽口改变愈急剧、即应力集中愈高的试件，其抗拉强度愈高，但塑性愈差、破坏的脆性倾向愈大。
应力集中引起孔槽边缘处局部的应力高峰；当结构所受静力荷载（轴心拉力为例）不断增加时，高峰应力及其郊近处局部钢材将首先达到降服强度。此后继续增加荷载将使该处发展塑性变形而应力保持不变，所增加的荷载由郊近应力较低即尚未达到降服强度部的钢材承受。然后塑性区逐步扩展，直到构件全截面都达到降服强度时为强度的极限状态。因此，应力集中一般不影向截面的静力极限承载力，设计时可不考虑其影向。但是，较严重的压力集中、特别是在动力荷载作用下，加上残余应力和钢材加工的冷作硬化等不利因素的影向，常是结构，尤其在低温环境下工作的结构发生脆性破坏的重要原因。所以设计时应尽量淢免构件截面的急剧改变，以减小应力集中，从构造上防止构作的脆性破坏。