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机械工程中用到的材料非常广泛，其总体包含两大类，即金属材料和非金属材料。传统制造业里的机械零件或构件多采用金属材料，但由于资源和环境保护因素，以及材料科学的飞速发展，目前非金属材料的应用也极其普遍。机械工程材料的分类如图1.4所示。
图1.4机械工程材料的分类
钢是机械工业中应用最广泛的金属材料，在工业生产中起着十分重要的作用。在此重点介绍黑色金属，特别是各种钢材的分类及选用，对于非金属材料可以参阅其他相关专业书籍。
钢是指含碳质量百分比大于0.022%而小于2.11%的铁碳合金。而含碳量小于0.022%的铁碳合金一般称为纯铁，含碳量大于2.11%的铁碳合金一般称为铸铁。
钢的分类方法有很多，常见的有以下几种。
钢按用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢可分为工程用钢和机器用钢。工具钢根据用途不同又可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。
钢按化学成分不同，可分为碳素钢和合金钢。碳素钢又按含碳量（常用w
C
表示）不同分为低碳钢（
）、中碳钢（
）和高碳钢（
）；合金钢按合金元素总含量（常用w
Me
表示）分为低合金钢（
）、中合金钢（
）和高合金钢（
）。另外，根据钢中所含主要合金元素种类的不同，可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。
钢材中，还存在硅、锰、磷、硫等杂质元素。这些杂质中按磷、硫含量的多少可分为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和特殊性能钢。
此外，钢按平衡状态的金相组织分为亚共析钢、共析钢和过共析钢；按脱氧程度又分为沸腾钢（钢号用F开头表示）、镇静钢（钢号用Z开头表示）等。
典型钢的牌号及主要用途见表1.2。
表1.2典型钢的牌号及主要用途
续表
常用铸铁的成分与钢不同，铸铁的含碳量大于2.11%（常用2.5%~ 4.0%），其杂质远大于钢。根据铸铁中碳的存在形式不同，将其分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。白口铸铁中碳主要以渗碳体的形式存在，灰口铸铁中碳主要以石墨的形式存在，麻口铸铁中的碳以渗碳体和石墨两种形式存在，其中，灰口铸铁应用得最多。
由于石墨的强度近于零，因此石墨的存在相当于钢的基体上存在裂缝或空洞，使铸铁的性能比钢低，特别是抗拉强度和塑性很低，不能进行锻压加工，但其硬度和抗压强度较好，所以灰口铸铁主要用于承受压力的零件，比如机床的机座。工业上根据铸铁中石墨存在的形态不同，灰口铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁等。
石墨以片状形态存在的铸铁称为灰铸铁。由于片状石墨的存在，其石墨尖端的应力集中现象使灰铸铁的抗拉强度及塑性低。灰铸铁的牌号为HT后加三位数字。三位数字表示最低的抗拉强度（MPa）。例如HT200、HT250和HT300等。
石墨以团絮状形态存在的铸铁称为可锻铸铁。由于团絮状石墨对应力集中影响较小，故可锻铸铁的力学性能较普通灰铸铁高。可锻铸铁的牌号为三个字母和两组数字：如KTH30006、KTZ550-04。 KT表示“可锻”，“H”和“Z”分别表示“黑”和“珠”的字首；前一组三位数表示最低的抗拉强度（MPa）；后一组数字表示最低伸长率（%）。
石墨以球状形态存在的铸铁称为球墨铸铁。由于球状石墨的应力集中影响更小，故球墨铸铁的性能最好。球墨铸铁的牌号表示和可锻铸铁类似，只是把拼音字母改为“QT”，如QT450-10、QT600-3等。
常见灰口铸铁种类及主要用途见表1.3。
表1.3常见灰口铸铁种类及主要用途
含碳量对钢的性能影响很大。通常随含碳量的增加，钢的抗拉强度及硬度增加而塑性和韧性下降。
但从铁碳合金状态图可看出，随含碳量的继续逐渐增加，铁素体逐渐减少，珠光体逐渐增加，当含碳量超过0.77%时逐渐出现渗碳体，渗碳体的数量不断增加，使钢的韧性下降，脆性增加，所以强度下降。这是随含碳量增加影响力学性能改变的根本原因所在。随含碳量的增加，钢的硬度、强度增加，塑韧性降低，钢的切削加工性能、冲压性、可锻性和焊接性都下降。含碳量对金属性能的影响如图1.5所示。
图1.5含碳量对金属性能的影响
通常认为，硅、锰是一种有益的元素，它既能脱氧，消除氧的不良影响，又能使强度、硬度、弹性增加，而塑韧性能降低。硅的含量小于0.4%，锰的含量为0.4%~ 0.8%，对钢的力学性能影响不大，当硅、锰的含量分别大于2.0%时对钢的性能便有所影响。
硫是钢中的有害元素，它是钢在冶炼时由燃料带入钢中的元素，而与铁生成FeS，再与铁形成低熔共晶体，熔点为985℃。当钢在1 000~ 1200℃轧制或锻造时，共晶体熔化沿晶粒边界裂开，常把这种现象称为热脆性。因此，钢中的硫含量必须严格控制在0.045%以下。
磷在钢中虽然能使钢的强度、硬度增加，但塑韧性显著下降，特别是在室温下，严重影响钢的脆性，这种现象称为冷脆性，因此磷在钢中的含量也必须控制在0.045%以下。