为了提升钢的特定性能或赋予其独特特性，人们在冶炼时有意添加的成分被称为合金元素。其中，铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、硅、锰、铝、铜、硼以及稀土元素等，都是常用的合金元素。在某些特定情况下，磷、硫、氮等物质也能发挥合金的作用。
(1) 铬(Cr)
铬元素能够提升钢材的淬透能力耐热钢材，并赋予其二次硬化特性，这不仅能增强碳钢的硬度与耐磨度，还能防止钢材变得脆弱。当铬含量超过12%时，钢材将展现出优异的高温抗氧化性能以及耐氧化腐蚀能力，同时还能提升其热强度。铬是不锈钢、耐酸钢和耐热钢中不可或缺的主要合金成分。
铬元素能够增强碳素钢在轧制过程中的强度与硬度，同时减少其伸长率和断面收缩率。然而，当铬的含量超过15%时，这种钢的强度和硬度会相应减弱，而伸长率和断面收缩率则会相应增加。此外，含有铬的钢材零件在经过研磨处理后，更容易达到较高的表面加工质量。
铬在调质过程中的核心功能是增强钢的淬透能力，使其在淬火与回火处理后展现出优异的综合力学特性；此外，在渗碳钢中，铬还能形成含铬的碳化物，这有助于提升材料表面的耐磨性能。
弹簧钢中添加铬元素在经过热处理过程时，其脱碳现象相对较少。铬元素能够增强工具钢的耐磨性、硬度以及红硬性，并且具有出色的回火稳定性。此外，在电热合金的应用中，铬元素还能提升合金的抗氧化能力、电阻值以及整体强度。
（2）镍（Ni）
镍元素能够增强钢中铁素体的强度并使珠光体变得更加细腻，这一过程总体上提升了钢材的强度，但对塑性的影响并不明显。通常来说，对于那些在轧制、正火或退火状态下使用，且不需要调质处理的低碳钢，适量的镍含量可以增强其强度，同时不会显著削弱其韧性。根据数据，每增加1%的镍含量，大约可以使钢材的强度提升29.4帕斯卡。随着镍含量的提升，钢的屈服点上升速度超过了其抗拉强度的增长，故而含有镍的钢材相比普通的碳素钢，其强度有显著提升。在增强钢材强度的过程中，镍对钢材的韧性、塑性和其他加工性能的负面影响相较于其他合金元素要小得多。中碳钢中，镍元素的作用是降低珠光体的转变温度，进而使珠光体变得更加细小；同时，镍的加入也降低了共析点的碳含量，与相同碳含量的碳素钢相比，中碳钢中的珠光体数量更多。这就导致了含镍的珠光体铁素体钢的强度高于相同碳含量的碳素钢。相反，若要使钢的强度保持不变，含镍钢的碳含量可以适当减少，从而提高钢的韧性和塑性。镍能够增强钢材抵抗疲劳的能力，并减少钢材对裂纹的敏感性。它还能降低钢材在低温下的脆性转变温度，这对于在低温环境下使用的钢材来说至关重要。例如，含有3.5%镍的钢材在-100℃的环境下仍能正常使用，而含有9%镍的钢材则能在-196℃的环境下工作。然而，镍并不提升钢材对蠕变的抵抗力，所以通常不会被用作热强钢的强化成分。
铁镍合金中镍含量较高时，其线胀系数会随着镍含量的增减而发生显著波动；借助这一特性，我们能够研发出线胀系数极低或适度的精密合金以及双金属材料等。
镍的加入使得钢铁不仅具备耐酸性，还能抵御碱性腐蚀，同时对于大气和盐分也有良好的抗腐蚀性能，因此镍成为了不锈钢和耐酸钢中不可或缺的关键成分之一。
（3）钼（Mo）
钼元素在钢铁中能够增强其淬透性和热强性，有效避免回火脆性的产生，同时提升剩磁和矫顽力，并在特定介质中增强其抗腐蚀能力。
在调质钢的加工中，钼元素能够促使较大截面积的零件实现更深、更彻底的淬火效果，增强钢材的抗回火能力或回火稳定性，允许零件在更高的温度范围内进行回火处理，进而更有效地消除或减轻残余应力，提升材料的塑性。
在渗碳钢的构成中，钼的作用不仅限于前述功能，它还能在渗碳层内部减少碳化物在晶界形成连续网状结构的可能性，降低渗碳层中未转变的奥氏体含量，从而在某种程度上提升了表层材料的耐磨性能。
在锻造模具过程中，钼元素能够使钢材维持较高的硬度稳定性，同时提升其抵御形变、裂纹以及磨损等不良影响的抵抗力。
在不锈钢耐酸材料中，钼元素能够显著增强对有机酸（包括蚁酸、醋酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料和漂白粉溶液等物质的抗腐蚀能力。尤其是钼的加入，有效抑制了因氯离子存在而引发的局部腐蚀倾向。
含1%左右钼的高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性等。
（4）钨（W）
钨元素在钢材料中不仅能与碳结合生成碳化物，还部分地与铁元素融合形成稳定的固溶体。这种元素的特性与钼相似，但按照质量比来衡量，其效果通常不如钼明显。钨在钢中的主要作用体现在提升材料的回火稳定性、红硬度、热强度，以及通过形成碳化物来增强耐磨性。正因如此，钨主要被应用于制造工具钢，包括高速钢和热锻模具用钢等。
钨元素在高品质弹簧钢中能生成不易熔融的碳化物，而在高温回火处理过程中，它有助于减缓碳化物的聚集，从而维持弹簧钢在高温下的强度。此外耐热钢材，钨还能减少钢的过热倾向，提升其淬透能力，并增强硬度。经过热轧并空冷的弹簧钢硬度极高，且50mm²截面的弹簧钢在油中淬火后，能够满足承受重负荷、耐高温（不超过350℃）以及承受冲击的严格要求，成为关键弹簧材料。这种高强度耐热弹簧钢，其淬透性显著，经过1050至1100摄氏度的淬火处理，再在550至650摄氏度下回火，其抗拉强度可以达到1470至，主要应用于在不超过500摄氏度的高温环境下使用的弹簧制造。
钨元素的添加，大幅提升了钢材的耐磨与切削性能，因此，钨成为合金工具钢不可或缺的关键成分。
（5）钒（V）
钒元素与碳、氨、氧等物质具有极高的结合能力，能够形成一系列稳定的化合物。在钢铁中，钒主要以碳化物的形态存在。这种物质的主要功能是改善钢的组织结构和晶粒大小，从而增强钢的强度与韧性。在高温状态下融入固溶体，钒能够提升钢的淬透性；而若以碳化物的形态存在，则会降低其淬透性。此外，钒还能提高淬火钢的回火稳定性，并引发二次硬化现象。钢中的含钒量，除高速工具钢外，一般均不大于0.5%。
钒元素能够使普通低碳合金钢的晶粒得到细化，从而在正火处理之后显著增强其强度和屈服强度，并改善其在低温环境下的性能。此外，钒还有助于提升钢的焊接质量。
钒元素在合金结构钢中，由于在常规热处理过程中会减少其淬透能力，因此在结构钢的生产中，通常与锰、铬、钼和钨等元素共同搭配使用。在调质钢的制造过程中，钒的主要作用是增强钢的强度和屈服极限，同时细化晶粒，并降低其过热敏感性。而在渗碳钢的生产中，钒的加入能够进一步细化晶粒，使得钢在渗碳处理之后可以直接进行淬火，无需进行额外的淬火步骤。
钒元素在弹簧钢与轴承钢的成分中起到增强作用，它能显著提升材料的强度和屈服强度，尤其是比例极限和弹性极限的增强。此外，钒还有助于减少热处理过程中的脱碳敏感性，进而显著提升材料表面的质量。以五铬含钒轴承钢为例，其碳化物的分散度较高，因而表现出优异的使用性能。
钒元素能够使工具钢的晶粒得到细化，这有助于减少过热敏感性；同时，它还能提升回火稳定性和耐磨性，进而显著提高工具的使用寿命。
（6）钛（Ti）
钛元素对氮、氧、碳等物质展现出极高的亲和性，其与硫的亲和力甚至超越了铁。因此，钛被视为一种优异的脱氧去气剂，并且能够有效固定氮和碳。尽管钛是形成碳化物的强元素，但它并不与其他元素形成复合化合物。碳化钛具有强大的结合力，稳定性高，分解难度大，在钢中需加热至1000℃以上才能缓慢溶解于固溶体。在未溶解之前，碳化钛的微小颗粒能够抑制晶粒的长大。钛与碳的亲和力显著高于铬与碳的亲和力，因此，在不锈钢的生产过程中，通常采用钛来稳定碳元素，以此防止铬在晶界区域的贫化现象。这一措施有助于减少或缓解钢的晶间腐蚀问题。
钛是构成强铁氧体的关键元素之一，它能显著提升钢的A1和A3温度。在普通低合金钢中，钛的加入能够增强其塑性和韧性。钛还能与氮和硫结合，生成碳化钛，从而增强钢的强度。通过正火处理，晶粒得以细化，析出的碳化物进一步提升了钢的塑性和冲击韧性。含有钛的合金结构钢，具备优异的力学和工艺性能，但其主要不足在于淬透性相对较弱。
在高铬不锈钢的生产过程中，通常需要添加大约是碳含量五倍的钛元素，这一做法不仅能显著增强钢材的抗腐蚀能力（尤其是对晶间腐蚀的抵抗能力），还能提升其韧性；同时，它还能有效控制钢材在高温条件下晶粒的长大趋势，并且有助于改善钢材的焊接特性。
（7）铌/钶（Nb/Cb）
铌和钶常与钽伴生，在钢铁中的功能相似。二者可部分溶解于固溶体中，从而实现固溶强化。当它们溶解于奥氏体时，能显著提升钢的淬透性能。然而，若以碳化物或氧化物微粒的形式存在，则会细化晶粒并降低钢的淬透性。铌具有提升钢回火稳定性的作用，并能产生二次硬化效果。微量的铌能够在不损害钢的塑性和韧性的前提下，增强其强度。细化晶粒的效应使得钢的冲击韧性得到增强，同时脆性转变温度得到降低。当碳含量超过碳的8倍时，几乎能够将钢中的所有碳固定住，从而赋予钢优异的抗氢能力。在奥氏体钢中，这种特性还能有效防止氧化介质引起的晶间腐蚀。此外，固定碳和沉淀硬化作用共同提升了热强钢在高温下的性能，包括蠕变强度等方面。
铌元素对于建筑用普通低合金钢而言，能够增强其屈服强度和冲击韧性，同时有助于降低脆性转变温度，从而改善焊接性能。在渗碳及调质合金结构钢的应用中，铌不仅能够提升钢的淬透性，还能提高其韧性和低温性能。此外，铌还能减少低碳马氏体耐热不锈钢的空气硬化倾向，防止硬化回火脆性的产生，并增强其蠕变强度。
（8）锆（Zr）
锆作为碳化物形成能力较强的元素，其在钢铁中的作用与铌、钽、钒等元素相仿。少量的锆能够起到脱气、净化以及细化晶粒的效果，这对提升钢的低温性能和改善其冲压性能大有裨益。因此，锆常被应用于制造燃气发动机及弹道导弹结构所需的超高强度钢和镍基高温合金。
（9）钴（Co）
钴元素常被应用于特制钢材及合金材料之中，在含有钴的高速钢中，其高温硬度显著提高；而且，当钴与钼共同融入马氏体时效钢时，能够实现超高的硬度以及优异的综合力学性能。除此之外，钴在热强钢以及磁性材料领域同样扮演着关键的角色。
钴元素会减弱钢材的淬透能力，故而若仅将其添加至碳素钢中，将导致其经过调质处理后的整体力学性能有所下降。钴能够增强铁素体的强度，当它被融入碳素钢并在退火或正火过程中使用时，可以提升钢的硬度、屈服极限以及抗拉强度，然而这会对伸长率和断面收缩率产生负面影响，并且随着钴含量的提升，冲击韧性也会相应减弱。鉴于钴具备良好的抗氧化特性，它被广泛应用于耐热钢和耐热合金的制造中。钴基合金燃气涡轮中更显示了它特有的作用。
（10）硅（Si）
硅元素能够溶解于铁素体和奥氏体中，从而提升钢材的硬度和强度，其效果仅次于磷，比锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素更为显著。然而，当硅含量超过3%时，会明显减少钢材的塑性和韧性。硅还能增强钢材的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb），以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）。正因如此，硅或硅锰钢才适合作为弹簧钢的原料。
硅元素能够减少钢材的密度、热导率和电导率，导致铁素体晶粒变大，并降低矫顽力。它还有助于减少晶体的各向异性，使得磁化过程更为简便，磁阻降低，因此适用于制造电工用钢，使得硅钢片的磁滞损耗较小。硅还能提升铁素体的导磁率，使得钢片在较弱的磁场中展现出更强的磁感强度。然而，在强磁场中，硅会降低钢的磁感强度。此外，硅具有强烈的脱氧能力，从而减轻了铁的磁时效效应。
在氧化环境中对含硅钢材进行加热处理，其表面会生成一层SiO2薄膜，这层薄膜的存在显著增强了钢材在高温条件下的抗腐蚀能力。
硅元素能够促进铸钢过程中柱状晶体的发育，同时也会减少其塑性。当硅钢在加热后若迅速冷却，由于其热导率不高，导致钢的内部与外部温差显著，最终可能引发断裂。
硅元素会削弱钢材的焊接效果。这是因为硅与氧的亲和力较铁更强，焊接过程中易形成熔点较低的硅酸盐，从而提升熔渣及熔融金属的流动性，导致喷溅，进而影响焊接品质。硅也是一种高效的脱氧剂。在采用铝进行脱氧处理时，适量添加硅可以显著增强其脱氧效果。硅在钢铁中原本就存在，这主要归因于炼铁炼钢过程中作为原料被引入。在沸腾钢的生产过程中，硅的含量受到一定限制。
（11）锰（Mn）
锰作为一种优异的脱氧和脱硫材料，在钢的生产过程中普遍存在。这种元素能够有效消除或减轻硫元素导致的钢的热脆现象，进而提升钢的热加工性能。
锰铁固溶体增强了钢中铁素体与奥氏体的硬度与强度；此外，它还是碳化物形成的必要元素，能够进入渗碳体中替换部分铁原子。锰通过降低临界转变温度，有助于细化珠光体结构，进而间接提升珠光体钢的强度。锰在稳定奥氏体组织方面的能力仅次于镍，并且显著提升了钢的淬透性。已用含量不超过2%的锰与其他元素配合制成多种合金钢。
锰资源丰富，功能多变，因而被广泛应用于多个领域，包括含锰量较高的碳素结构钢和弹簧钢等。
高碳高锰耐磨钢中锰元素的含量介于10%至14%之间，经过固溶处理，该材料展现出优异的韧性。在遭受冲击并发生形变时，其表面层会因形变而得到强化，从而具备了出色的耐磨性能。
锰与硫结合生成熔点较高的MnS，这一特性有助于避免FeS引起的热脆问题。锰元素倾向于使钢的晶粒粗化，并增加了钢对回火脆性的敏感度。若在冶炼、浇注和锻轧后的冷却过程中处理不当，钢就很容易出现白点。
（12）铝（Al）
铝主要用于去除氧气和细化晶体结构。它还能在渗氮钢中促进形成坚固且耐腐蚀的渗氮层。此外，铝能够抑制低碳钢的时效作用，增强钢在低温环境下的韧性。当铝含量较高时，它能提升钢的抗氧化能力，并增强其在氧化性酸和硫化氢气体中的耐腐蚀性能。同时，铝还能改善钢的电学和磁学性能。在钢中，铝的固溶强化效果显著，有助于提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度以及核心部分的力学性能。
在难熔合金体系内，铝元素与镍元素相互作用生成化合物，这一过程显著增强了合金的熔点，而含有铝元素的铁铬铝合金在高温环境中展现出近似恒定的电阻特性，并且具备出色的抗氧化能力，因此，这类合金非常适合用于制造电热合金以及铬铝电阻丝。
在钢的脱氧过程中，若铝的添加量超出了适宜范围，会导致钢中出现异常的组织结构，并增强其石墨化的趋势。特别是在铁素体和珠光体类型的钢中，当铝的含量较高时，会削弱它们在高温下的强度和韧性，同时给冶炼和浇注等环节带来诸多不便。
（13）铜（Cu）
铜在钢中发挥着至关重要的作用，它能显著提升普通低合金钢抵御大气腐蚀的能力，尤其是与磷结合使用时，铜的加入还能增强钢的强度和屈服度，同时不会对焊接性能造成负面影响。以含铜量在0.20%至0.50%之间的钢轨钢（U-Cu）为例，除了具备良好的耐磨性之外，其耐腐蚀寿命更是普通碳素钢轨的两到五倍。
当铜的含量超出0.75%这一界限，经过固溶处理和时效处理，便能够实现时效强化效果。若铜含量较低，其作用与镍相仿，但强度上相对较弱。然而，当铜含量较高时，却会对热变形加工产生不利影响，甚至引发铜的脆化现象。在奥氏体不锈钢中，含有2%至3%铜的合金，能够显著提升对硫酸、磷酸和盐酸等介质的抗腐蚀能力，并增强对应力腐蚀的稳定性。
（14）硼（B）
硼元素在钢铁中的应用主要是提升其淬透能力，以此减少对其他昂贵金属的依赖，包括镍、铬、钼等。为实现这一目标，硼的含量通常被控制在0.001%至0.005%之间。硼能够替代1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼。然而，在以硼替代钼时需特别注意，因为钼有助于防止或减轻回火脆性，而硼则可能略微加剧这一现象，因此硼不能完全取代钼。
在含有中碳碳素钢的合金中加入硼元素，这能够增强钢材的淬透性能，从而使得厚度超过20毫米的钢材经过调质处理之后，其性能得到显著提升。因此，我们可以使用40B和40MnB这两种钢材来替代40Cr钢，甚至可以用它们来替代原本需要渗碳处理的钢材。然而，需要注意的是，硼元素的作用会随着钢中碳含量的增加而逐渐减弱，甚至可能完全消失。因此，在挑选含有硼的渗碳钢时，必须考虑到一个重要特性，即在零件完成渗碳处理后，渗碳层的淬透性能可能会低于钢材核心部分的淬透性能。
弹簧钢通常需实现全面淬透处理，其弹簧面积通常较小，选用含硼的钢材较为适宜。然而，对于高硅含量的弹簧钢，硼元素的影响波动较大，使用起来并不方便。
硼、氮和氧三者之间具有显著的吸引力，在沸腾钢中掺入极微量的硼，即0.007%，便能有效地消除钢的时效性。
（15）稀土（Re）
稀土元素通常指的是元素周期表中原子序数介于57至71之间的镧系元素，共计15种，此外还包括原子序数为21的钪和39的钇，共计17种元素。这些元素的性质相似，分离难度较大。未经过分离的稀土元素被称为混合稀土，价格相对较低。稀土元素能够增强锻轧钢材的塑性和冲击韧性，尤其在铸钢领域表现尤为突出。同时，它还能提升耐热钢、电热合金以及高温合金的抗蠕变能力。
稀土成分能够增强钢材的抗氧化与抗腐蚀能力。其抗氧化性能优于硅、铝、钛等元素。此外，稀土元素还有助于提升钢材的流动性，降低非金属杂质的含量，从而使钢材结构更加紧密和纯净。
在普通低合金钢中添加适量的稀土成分，能够有效去除氧和硫，增强其冲击韧性，尤其是低温下的韧性，并且优化其各向异性特性。
稀土元素能够提升铁铬铝合金的抗氧性能，同时使钢在高温环境中维持细晶粒结构，增强其高温强度，因此，显著延长了电热合金的使用寿命。
（16）氮（N）
氮元素在铁中起到一定作用，能够部分实现固溶强化和提升淬透性，但这种效果并不十分明显。氮化物在晶界析出后，能够增强晶界在高温下的强度，进而提升钢的蠕变强度。氮与其他元素结合时，会产生沉淀硬化效果。虽然氮对钢的抗腐蚀性能影响不大，但经过表面渗氮处理，钢的硬度和耐磨性都会得到提升，同时其抗腐蚀性能也得到显著改善。然而，在低碳钢中，残留的氮可能会导致时效脆性的产生。
（17）硫（S）
提升钢中硫和锰的比例，有助于增强其可切削性；在易切削钢的生产中，硫作为一种有益成分被添加其中。然而，硫在钢中容易发生偏析现象，这会降低钢材的品质；在高温条件下，它还会削弱钢的塑性，成为有害元素。硫主要以熔点较低的FeS形态存在于钢中。FeS独立存在时的熔点仅为1190℃，然而在钢中与铁结合形成的共晶体，其共晶温度更低，仅为988℃。在钢凝固过程中，硫化铁会聚集在原始晶界上。当钢在1100至1200℃的温度范围内进行轧制时，晶界处的FeS会开始熔化，这会显著降低晶粒间的结合强度，进而引发钢的热脆问题。鉴于此，硫的含量必须严格控制，通常应保持在0.020%至0.050%的范围内。为了抵御硫引起的脆弱性，必须添加适量的锰，以确保生成熔点较高的MnS。一旦钢中的硫含量超过标准，在焊接过程中，由于SO2的生成，焊接金属内部将出现气孔和疏松现象。
（18）磷（P）
磷元素在钢铁中具有显著的固溶强化与冷作硬化效果。当它作为合金成分融入低合金结构钢时，可以显著提升钢的强度以及抵抗大气腐蚀的能力，然而，这会略微减弱钢的冷冲压性能。若磷与硫和锰共同使用，则能增强钢的切削性能，进而提高加工件表面的质量。因此，在易切削钢中，磷的含量也相对较高。铁素体中的磷成分，虽有助于提升钢材的强度与硬度，但其弊端显著，主要表现为严重的偏析，加剧了回火脆性，并显著提升了钢的塑性和韧性，导致钢材在冷加工过程中易出现脆裂，即所谓的“冷脆”现象。此外，磷对焊接性能亦存在负面影响。磷作为有害元素，其含量需严格控制，通常不应超过0.03%～0.04%。（材料科学与工程领域）
