在碳素鋼的基礎上，有目的地在冶煉的過程中加入一定量的合金元素。含有合金元素的鋼叫做合金鋼。常用的合金元素有：錳（wMn>1.0%）、硅（wSi>0.5%）、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鋁、硼、稀土( RE)等。根據我國資源情況，富產元素有硅、錳、鉬、鎢、釩、鈦、硼及稀土元素。選用合金時，應優先考慮采用我國資源豐富的鋼種。

合金鋼與碳素鋼相比，具有較高的綜合力學性能、良好的熱處理工藝性能，并具有特殊的物理、化學性能。雖然合金鋼的生產工藝過程復雜、成本較高，但由于其具有優良的性能，能夠滿足不同工作條件下的產品要求，因此應用范圍不斷擴大，重要的工程結構和機械零件均使用合金鋼制造。

鐵素體和滲碳體是碳素鋼中的兩個基本相，當合金元素加入鋼中時，合金元素可以固溶于鐵素體內，也可以固溶于滲碳體內。與碳親和力弱的非碳化物形成元素，如鎳、硅、鋁、鈷等，主要固溶于鐵素體中形成合金鐵素體，而與碳親和力強的碳化物形成元素，如錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈮等，則主要與碳結合形成合金滲碳體或碳化物。合金元素對鋼的基體的強化作用提高了鋼的力學性能和使用性能。

1．形成合金鐵素體

溶入鐵素體中的合金元素，形成合金鐵素體。原子直徑較小的合金元素（如氮、硼等）與鐵素體形成間隙固溶體，原子直徑較大的合金元素（如錳、鎳、鈷等）與鐵素體形成置換固溶體。

當合金元素溶入鐵素體后，必然引起鐵素體的晶格畸變，產生固溶強化，使鐵素體的強度、硬度提高，但塑性、韌性有下降趨勢。圖8-1和圖8-2所示為常見合金元素對鐵素體硬度和韌性的影響。

由圖可知，硅、錳能顯著地提高鐵素體的強度和硬度，但當wSi>0.6%、wMn>1.5%時，合金的韌性顯著下降。而鉻、鎳這兩種合金元素，在含量適當時(wCr≤2%，wNi≤5%)，不僅能提高鐵素體的強度和硬度，同時也能提高其韌性。

2．形成合金碳化物

在鋼中能形成碳化物的元素有：鈦、鋯、鈮、釩、鎢、鉬、鉻、錳、鐵等。在周期表中，碳化物形成元素都是位于鐵左邊的過渡元素，離鐵越遠，則該合金元素與碳的親和力越強，形成碳化物的能力越大，形成的碳化物越穩定，越不容易分解。一般認為，鈦、鋯、鈮、釩是強碳化物形成元素，鎢、鉬、鉻是中強碳化物形成元素，錳為弱碳化物形成元素。合金鋼中形成合金碳化物的類型主要有以下兩類。

(1)合金滲碳體 

合金滲碳體是合金元素溶入滲碳體所形成的化合物，仍具有滲碳體的復雜晶格，其中鐵與合金元素的比例可變，但兩者的總和與碳的比例是固定不變的。如在含錳的鋼中，Fe3C中的鐵原子被錳原子置換而形成(Fe，Mn)3C。當中強碳化物形成元素在鋼中的質量分數不大(0.5%~3%)時，一般也傾向于形成合金滲碳體，如( Fe，Cr) 3C、(Fe，W)3C等。合金滲碳體的穩定性略高于滲碳體，硬度也較高，是一般低合金鋼中碳化物的主要存在形式。

(2)特殊碳化物 

特殊碳化物是與滲碳體晶格完全不同的合金碳化物。通常是由中強或強碳化物形成元素所構成的碳化物。特殊碳化物有兩種類型：一類是具有簡單晶格的間隙相碳化物，如WC、Mo2C、VC、TiC等；另一類是具有復雜品格的碳化物，如Cr23 C6、Cr7C3、Fe3C、W3C等。強碳化物形成元素，即使含量較少，只要有足夠量的碳原子，就傾向于形成特殊碳化物；而中強碳化物形成元素，只有當其質量分數較高（wMe>5%）時，才傾向于形成特殊碳化物。特殊碳化物特別是間隙相碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度與耐磨性，并且更為穩定，不易分解。合金碳化物的種類、性能和在鋼中的分布狀態會直接影響到鋼的性能及熱處理時的相變溫度。當鋼中存在彌散分布的特殊碳化物時，將顯著提高鋼的強度、硬度與耐磨性，且不降低韌性，這對提高工具的使用性能非常有利。

(3)形成非金屬夾雜物  

大多數元素與鋼中的氧、氮、硫也可以形成簡單的或復合的非金屬夾雜物，如Al2O3、AIN、TiN、FeO等。非金屬夾雜物的存在會降低鋼的質量。