这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。其牌号是采用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。例如45钢表示钢中平均碳的质量分数为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数为0.08%。
优质碳素结构钢主要用于制造机器零件。一般都要经过热处理以提高力学性
能。根据碳的质量分数不同，有不同的用途。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性高，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件，

Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。
（2）碳素工具钢
碳素工具钢是基本上不含合金元素的高碳钢，含碳量在0.65%～1.35%范围内，其生产成本低，原料来源易取得，切削加工性良好，处理后可以得到高硬度和高耐磨性，所以是被广泛采用的钢种，用来制造各种刃具、模具、量具。
但这类钢的红硬性差，即当工作温度大于250℃时，钢的硬度和耐磨性就会急剧下降而失去工作能力。另外，碳素工具钢如制成较大的零件则不易淬硬，而且容易产生变形和裂纹。
优质结构钢

钢的成分偏析导致钢组织、性能的不均匀，这是钢制零部件提前失效以及钢性能潜力难以充分发挥的重要原因之一。现代生产工艺应使钢的均匀性达到：轿车齿轮钢淬透性带波动为±3HRC；对合金元素控制水平为碳、镍、钼含量≤±0.01%，锰和铬含量≤±0.02%；轴承钢淬火后的晶粒度为球形且尺寸波动0.8±0. 2μm；抗层状撕裂钢（z向钢）的纵向、横向和厚度方向的力学性能，特别是塑、韧性要求大体上相当。
（3）超细组织。超细组织强化是惟一增加钢强度而不降低韧性或使韧性略有增加的强化机制。例如高强度不锈钢AFC77的晶粒从60μm细化到2. 3μm，则断裂韧性KIC从100增加到220MPa·m。核反应堆压力容器钢板为粗晶时，其辐照脆化温度范围为150～250℃而细晶钢降到50～70℃。轴承钢中的碳化物尺寸细到≤0.5μm，则轴承寿命大幅度提高。