碳是提高钢的强度和硬度的最有效的元素，根据合金元素与钢中碳的作用，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。碳化物形成元素是可以形成各种类型的碳化物，其结合力的强弱依次为Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn和Fe等，除了形成Fe3C外，合金元素与碳结合形成特殊碳化物。

合金碳化物有的比渗碳体硬度高、组织稳定，具有比一般碳钢更加耐磨的特点，通过适当的冶炼、热加工和热处理，以获得要求的组织、形态、大小和碳化物的分布，就能充分发挥合金元素的作用。

非碳化物形成元素在钢中不能与碳化合，它们通常以原子的状态分布于奥氏体和铁素体等固溶体，Si、Cu、Ni和Co等元素属于该类元素，对力学性能的影响较大。

(1)低温回火对钢力学性能的影响

钢淬火后进行低温回火得到回火马氏体组织，此时碳和合金元素处于饱和固溶体内，由于钢的硬度主要取决于基体α相中的含碳量，合金元素对硬度、强度的影响不大。因此加入合金元素的目的是通过提高钢的淬透性，使较大截面的零件淬火后获得马氏体，同时也起到细化晶粒的作用。

(2)中温回火对钢的力学性能的影响

回火托氏体是中温回火后的组织，它是由合金铁素体和合金碳化物组成的，合金元素具有固溶强化的效果，合金碳化物对合金铁素体产生弥散强化的作用，因此中温回火可得到比碳钢高的强度、硬度、弹性极限以及高的疲劳强度等，多用于弹簧钢的热处理。

(3)高温回火对钢的力学性能的影响

合金元素对高温回火钢的力学性能的影响主要表现在以下几个方面。

①合金元素的加入既能使铁素体固溶强化，也会使铁素体的再结晶温度提高，因此延缓了α相的回复和再结晶过程，故具有较高的强度和韧性。

②V、Mo等合金元素显著提高了钢的回火稳定性，阻止了碳化物的球化和粗化过程，故回火后仍能保持细小的碳化物颗粒，确保了钢具有高的的强度和良好的韧性。

③Mn、Mo、Cr、Si、Ni等合金元素能提高钢的淬透性，在调质状态下可获得良好的综合力学性能，Ti、V、Nb等可强烈阻碍奥氏体晶粒的长大，使调质处理后的强度和韧性得到提高。

④Mn、Cr、P、V、Ni等元素使钢的第二类回火脆性的敏感性增加，因此调质结构钢回火后应快速冷却，避免出现回火脆性的出现。

从上面的分析可知，合金结构钢在淬火+高温回火的综合力学性能高于碳素结构钢，其原因在于碳化物形成元素的有效强化作用，Si、Mn等元素的强化效果差，Co、Ni等元素最弱。