在碳素鋼的基礎(chǔ)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(jù)我國資源情況，富產(chǎn)元素有硅、錳、鉬、鎢、釩、鈦、硼及稀土元素。選用合金時，應(yīng)優(yōu)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(xué)性能、良好的熱處理工藝性能，并具有特殊的物理、化學(xué)性能。雖然合金鋼的生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜、成本較高，但由于其具有優(yōu)良的性能，能夠滿足不同工作條件下的產(chǎn)品要求，因此應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，重要的工程結(jié)構(gòu)和機(jī)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(dāng)合金元素加入鋼中時，合金元素可以固溶于鐵素體內(nèi)，也可以固溶于滲碳體內(nèi)。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(qiáng)的碳化物形成元素，如錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鈮等，則主要與碳結(jié)合形成合金滲碳體或碳化物。合金元素對鋼的基體的強(qiáng)化作用提高了鋼的力學(xué)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(dāng)合金元素溶入鐵素體后，必然引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)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(qiáng)度和硬度，但當(dāng)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(dāng)時(wCr≤2%，wNi≤5%)，不僅能提高鐵素體的強(qiáng)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(yuǎn)，則該合金元素與碳的親和力越強(qiáng)，形成碳化物的能力越大，形成的碳化物越穩(wěn)定，越不容易分解。一般認(rèn)為，鈦、鋯、鈮、釩是強(qiáng)碳化物形成元素，鎢、鉬、鉻是中強(qiáng)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(fù)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，F(xiàn)e3C中的鐵原子被錳原子置換而形成(Fe，Mn)3C。當(dāng)中強(qiáng)碳化物形成元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(wěn)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(qiáng)或強(qiáng)碳化物形成元素所構(gòu)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(fù)雜品格的碳化物，如Cr23 C6、Cr7C3、Fe3C、W3C等。強(qiáng)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(qiáng)碳化物形成元素，只有當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(wěn)定，不易分解。合金碳化物的種類、性能和在鋼中的分布狀態(tài)會直接影響到鋼的性能及熱處理時的相變溫度。當(dāng)鋼中存在彌散分布的特殊碳化物時，將顯著提高鋼的強(qiáng)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(shù)元素與鋼中的氧、氮、硫也可以形成簡單的或復(fù)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(zhì)量。