在碳素钢的基础上，有目的地在冶炼的过程中加入一定量的合金元素。含有合金元素的钢叫做合金钢。常用的合金元素有：锰（wMn>1.0%）、硅（wSi>0.5%）、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、铝、硼、稀土( RE)等。根据我国资源情况，富产元素有硅、锰、钼、钨、钒、钛、硼及稀土元素。选用合金时，应优先考虑采用我国资源丰富的钢种。

合金钢与碳素钢相比，具有较高的综合力学性能、良好的热处理工艺性能，并具有特殊的物理、化学性能。虽然合金钢的生产工艺过程复杂、成本较高，但由于其具有优良的性能，能够满足不同工作条件下的产品要求，因此应用范围不断扩大，重要的工程结构和机械零件均使用合金钢制造。

铁素体和渗碳体是碳素钢中的两个基本相，当合金元素加入钢中时，合金元素可以固溶于铁素体内，也可以固溶于渗碳体内。与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，主要固溶于铁素体中形成合金铁素体，而与碳亲和力强的碳化物形成元素，如锰、铬、钼、钨、钒、钛、锆、铌等，则主要与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。合金元素对钢的基体的强化作用提高了钢的力学性能和使用性能。

1．形成合金铁素体

溶入铁素体中的合金元素，形成合金铁素体。原子直径较小的合金元素（如氮、硼等）与铁素体形成间隙固溶体，原子直径较大的合金元素（如锰、镍、钴等）与铁素体形成置换固溶体。

当合金元素溶入铁素体后，必然引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性有下降趋势。图8-1和图8-2所示为常见合金元素对铁素体硬度和韧性的影响。

由图可知，硅、锰能显著地提高铁素体的强度和硬度，但当wSi>0.6%、wMn>1.5%时，合金的韧性显著下降。而铬、镍这两种合金元素，在含量适当时(wCr≤2%，wNi≤5%)，不仅能提高铁素体的强度和硬度，同时也能提高其韧性。

2．形成合金碳化物

在钢中能形成碳化物的元素有：钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁等。在周期表中，碳化物形成元素都是位于铁左边的过渡元素，离铁越远，则该合金元素与碳的亲和力越强，形成碳化物的能力越大，形成的碳化物越稳定，越不容易分解。一般认为，钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素，钨、钼、铬是中强碳化物形成元素，锰为弱碳化物形成元素。合金钢中形成合金碳化物的类型主要有以下两类。

(1)合金渗碳体 

合金渗碳体是合金元素溶入渗碳体所形成的化合物，仍具有渗碳体的复杂晶格，其中铁与合金元素的比例可变，但两者的总和与碳的比例是固定不变的。如在含锰的钢中，Fe3C中的铁原子被锰原子置换而形成(Fe，Mn)3C。当中强碳化物形成元素在钢中的质量分数不大(0.5%~3%)时，一般也倾向于形成合金渗碳体，如( Fe，Cr) 3C、(Fe，W)3C等。合金渗碳体的稳定性略高于渗碳体，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。

(2)特殊碳化物 

特殊碳化物是与渗碳体晶格完全不同的合金碳化物。通常是由中强或强碳化物形成元素所构成的碳化物。特殊碳化物有两种类型：一类是具有简单晶格的间隙相碳化物，如WC、Mo2C、VC、TiC等；另一类是具有复杂品格的碳化物，如Cr23 C6、Cr7C3、Fe3C、W3C等。强碳化物形成元素，即使含量较少，只要有足够量的碳原子，就倾向于形成特殊碳化物；而中强碳化物形成元素，只有当其质量分数较高（wMe>5%）时，才倾向于形成特殊碳化物。特殊碳化物特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，并且更为稳定，不易分解。合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变温度。当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性，且不降低韧性，这对提高工具的使用性能非常有利。

(3)形成非金属夹杂物  

大多数元素与钢中的氧、氮、硫也可以形成简单的或复合的非金属夹杂物，如Al2O3、AIN、TiN、FeO等。非金属夹杂物的存在会降低钢的质量。