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。