合金元素加入钢中会引起什么样的作用呢？我们先来看看碳，从铁碳相图中我们可以看到，铁加热到912℃，会从所谓bbc结构转变为fcc结构，加入碳后这个转变点就会下降，当加到0.77%碳时，相变临界点就会成为727℃，912-727=185℃，0.77%碳可以降低相变临界点185℃之多。
同样，铁加热到1394℃，会从所谓fcc结构转变为bbc结构，加入碳后这个转变点就会上升，当加到0.09%碳时，临界点就会成为1495℃，1495-1394=101℃，0.09%碳又可以升高上临界点101℃之多。因此，我们可以看到，同样是碳，既可以升高上临界点，也可以降低下临界点。好了，记住这个事情，我们先把这个现象放一放，说点钢冶炼方面的事情。
我们可以把钢看作是以铁为基的合金，其晶体的点阵结构是由铁决定的。钢中常常含有其他元素，比较纯净的钢，即使如纯铁，也会发现其中含有十多种或更多的其他元素。由于冶炼时所用原材料、冶炼方法和工艺操作等方面的影响，钢中除了碳以外，还含有的少量的其他元素，可能含有硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等等，它们一般作为杂质或残余元素对待，而不认为是合金元素。
锰可由生铁带入钢中，锰与硅还可以脱氧剂形式加入。硫、磷均由原料带入，并由于炼钢时除不干净而被保留下来。在冶炼过程中由于采用某些矿区的矿石和原料，因而把某些元素带入钢中，例如我国大冶铁矿中含有铜，炼成的钢含有铜；攀枝花铁矿含有钒和钛，炼成的钢含有钒和钛；白云鄂博铁矿含有稀土，因而冶炼成的钢不可避免含有微量稀土元素。
一样的包子，天津的比北京的好，一样的鸭子，北京烤的比南京的好，一样的羊，内蒙古的羊肉最好吃，新疆串的最大，一样的面，兰州拉的最棒，一样的酒精兑水，贵州茅台镇兑的最贵，一样分数，北京上名牌大学最低……，如此等等。所以，同样是45钢，宝钢的、武钢的、攀钢的、包钢的等等均会不同，而好多干热处理的不管这一套，拿过来照着一个固定的工艺就干！这也是我们在学好热处理必须掌握的八个方面专业知识中，为什么要把一分为二列为第一条的重要原因。
炼钢时也可由废钢含有某些元素而带入一些意外的元素。残余元素的存在有时可起到一些有益的作用，如残余的铬、锰可以提高钢的淬透性；残余的钒和钛可以细化晶粒。但在大多数情况下会产生不利的影响。例如残余元素镍、铬、铜等的存在会对钢的焊接性和冷变形加工性产生不利的影响，所以对优质碳素钢都规定了残余元素的最高许可含量。
在冶炼过程中，钢液不可避免地隐含微量的气体如氧、氮、氢等。这些元素在钢中的含量虽然很少，但在一定条件下或超过一定含量后，都会对钢的性能产生重要影响，因而不能不加以考虑。在碳素钢的基础上，为了改善和提高钢的某些性能或使之获得某些特殊性能而有目的的在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。加入合金元素的钢称为合金钢。
由此，可以推出钢中的元素分为两类：杂质元素和合金元素。一个元素是杂质元素还是合金元素，不看含量多少，不看有好处还是有害处，最原则的、最重要的唯一标准是看是否有目的的加入！有目的的加入的再少也是合金元素，哪怕加入0.0003%（百万分之三），即3ppm，也是合金元素，例如硼钢中的硼，无目的的加入，哪怕是达到1.2%，也是杂质元素，例如65Mn钢中的锰，所以说，65Mn钢是碳素钢，65Mn钢是碳素钢，65Mn是碳素钢！重要的事情说三遍，因为65Mn钢中的锰是冶炼过程中由脱氧剂带入的，不是有目的加入的！
想进入别人家，无非就：与男主人亲近、与女主人亲近、与男女主人都亲近，与男女主人都不亲近（查水表的）、与别人家中的薄弱环节亲近（小偷）五种情况。
我们已经知道，合金钢是在碳素钢的基础上，加入合金元素形成的。而碳素钢就是铁碳合金，合金元素加入后也无非就五种情况：1、与铁相互作用，2、与碳相互作用，3、与铁和碳相互作用，4、与铁和碳都不相互作用，5、与钢中晶体缺陷相互作用。
回到前面，我们知道，有些合金元素会提高或降低临界点，或者，会提高且降低临界点，所以钢中的合金元素可以按照对临界点的影响进行分类。铁碳合金的临界点有许多，为了更好地方便交流，铁碳合金相图里面习惯用A+数字或字母来表示，A指临界点，是法文Arrestation （驻点）的第一个字母。铁碳合金相图里面有A0、A1、A2、A3、A4、Acm几种。
分别指的温度为：
A0：温度230℃，渗碳体的居里点（磁性转变点，高于此温度由铁磁性转变为顺磁性）。
A1：PSK线，温度727℃，共析转变温度。
A2：MO线，温度770℃，铁素体的居里点。
A3：GS线，温度727～912℃，铁素体转变为奥氏体的终了线（加热）或奥氏体转变为铁素体的开始线（冷却）。
A4：NJ线，温度1394～1495℃高温铁素体转变为奥氏体的终了线（冷却）或奥氏体转变为高温铁素体的开始线（加热）。
Acm：ES线，温度727～1148℃碳在奥氏体中的溶解度曲线，也成为渗碳体的析出线。cm代表cementite（渗碳体）对热处理比较重要和常用的是A1、A3、Acm，另外：由于加热的时候有过热度，冷却的时候有过冷度，所以同样一个相变点，具体的加热和冷却不一样，因此，加热的时候用c(法文加热chauffage 的第一个字母)表示，冷却的时候用r(法文冷却refro idissement 的第一个字母)表示，所以相应的有：加热Ac1、Ac3、Accm，冷却Ar1、Ar3、Arcm。
我们知道，铁在加热和冷却过程中会产生多型性转变。912℃以下是体心立方晶格，我们以α-Fe命名，912～1394℃之间是面心立方晶格，我们以γ-Fe命名， 1394～1538℃之间是体心立方晶格，虽然也是体心立方晶格，由于与α-Fe晶格参数不同，不是一种，所以我们以δ-Fe命名，这个就跟家里同时或不同时生了两个男孩，虽然都是儿子，为了以示区别，显然都必须起不同的名字，否则你提一个名字就分不清谁是谁。
合金元素进入铁中，会溶解于铁的晶格中，合金元素溶入α-Fe中形成以α-Fe为基础的固溶体，我们称之为铁素体，溶于γ-Fe形成以γ-Fe为基的固溶体我们称之为奥氏体。溶入δ-Fe中形成以δ-Fe为基的固溶体，我们称之为高温铁素体以示区别。
对于那些在γ-Fe中有较大的溶解度，并稳定γ-Fe固溶体的合金元素，称为奥氏体形成元素；在α-Fe有较大的溶解度，使γ-Fe不稳定的合金元素，称为铁素体形成元素。合金元素对α-Fe, γ-Fe和δ-Fe的相对稳定性以及多型性转变温度A3和A4均有极大的影响。
需要注意的是α-Fe并不完全等同于铁素体，因为α-Fe是纯铁，铁素体是溶解了合金元素（当然，也包含碳这个合金元素）的固溶体，嫁给一个男人，并不完全等同于他老婆，也可能是二奶、也可能是小三。皇帝后宫有多少，合金元素有多少，而皇帝只有一个，α-Fe也只有一个。与此类似，同样γ-Fe也并不完全等同于奥氏体。
习惯上，溶解了碳的称为铁素体、奥氏体、渗碳体，溶解了除碳之外的合金元素，称为合金铁素体、合金奥氏体、合金渗碳体，但如果不是为了特意说明其他合金元素的作用的时候，不管三七二十一，统统把合金两字拿掉，就跟人们亲近了以后直接叫名而把姓拿掉了一样。克强啊，你好啊！
在纯铁加热和冷却过程中产生的多型性转变是在恒定温度下进行的。加入合金元素后，这个转变就成为在一个温度范围内进行，例如A3温度点912℃变成了727～912℃的GS线，这样，α相或者δ相在这个温度范围内就会与γ相在平衡状态下同时存在。
我们已经知道，合金元素跟铁作用后，可以改变临界点，如果使A3下降，A4上升，使γ-Fe存在的温度范围由原来的912～1394℃产生扩大，我们称之为扩大γ相区的元素，合金元素含量越多，A3和A4的距离越大，这类元素常见的有镍、钴、锰；碳、氮、铜。其中前三个无限固溶，后三个有限固溶。
对于铁碳合金，奥氏体在常温根本就不能够稳定存在，只能够在高温存在。前面我们讲到，加到0.77%碳时，相变临界点就会降低为727℃，降了近二百度，如果再加点扩大γ相区的元素，如加点镍，再加点锰，（钴伴有天然放射性同位素，不是个好东西，一般不加）或者多加镍，或者多加锰，相变临界点会不会一直降低呢？这样降低、降低，降到零下温度，这样，奥氏体就会不会在室温存在呢？
事实证明真的会是这样！当镍加到24%，或者锰加13%左右，就能够获得纯奥氏体，其实奥氏体不锈钢就是这么来的。当然这个只是加单一元素的情况，没有考虑合金元素之间的相互作用。
合金元素改变临界点，如果使A3上升，A4下降，使γ-Fe存在的温度范围由原来的912～1394℃产生缩小，我们称之为缩小γ相区的元素，合金元素含量越多，A3和A4的距离越近，属于这类元素有钒、铬、钛、钨、钼、铝、磷、锡、锑、砷、硼、锆、铌、钽、硫、铈等等。其中钒、铬与α-Fe无限固溶，其余都与α-Fe有限溶解。
可能有人会说，我的天哎！或者说 My God！缩小γ相区的元素这么多哎，我都糊涂了，记不住啊！要我说，你记住它们干嘛？它们就是垃圾，知识垃圾！你只需要记住扩大γ相区的元素镍、钴、锰；碳、氮、铜这六个就行了，剩下的就是缩小的呗！随便拿一个元素，只要不是这6个，都是可以认为是缩小γ相区的，这个结论虽然不是百分之百正确，基本上八九不离十。现在查找资料非常方便，学习或工作不需要全部知识都背会，只需要进行有效的记忆+合理的逻辑推理与扩大γ相区的元素类似，如果不断地加缩小γ相区的元素，A3和A4的距离越来越近，最终A3和A4重合，奥氏体消失，这就是铁素体钢。
与铁形成置换固溶体的元素其扩大与缩小γ相区的能力与该元素本身属于那一族，元素本身晶体点阵类型，该元素与铁的化学作用及弹性作用有关。这种扩大或缩小γ相区的能力可以用它们在α-Fe和γ-Fe中的溶解度来衡量。利用合金元素扩大或缩小γ相区的作用可以获得铁素体钢或奥氏体钢，这些钢具有特殊的性能，在工业和技术上得到了应用。
对合金元素与铁的相互作用产生的各种影响，目前还没有圆满的理论解释。这个即是材料和热处理工作者的无奈，也是巨大的希望！说明这个领域是正在蓬勃发展中的科学。因为，前面给你留下了许多获大奖的可能，或许，至少一定量甚至于海量的人民币或美元在向你招手，赶快投入它们的怀抱吧！
说完铁了，我们再说说碳。合金元素与碳怎样呢？那能够怎样？无非两种情况：一没有关系，二有关系，而且是隔壁老王的关系。
没有关系的情况，我们叫做非碳化物形成元素。这一类元素包括Ni、Si、Co、A1、Cu等，因为与碳没有关系，加入铁碳合金中只能与铁有关系了，以溶入α-Fe或γ-Fe中的形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物。另外，Si的含量高时，可使渗碳体分解，使碳游离并以石墨状态存在，所以，Si也称为石墨化元素。
隔壁老王的关系我们叫做碳化物形成元素。这一类元素包括Ti、 Nb、 Zr、 V、 Mo、 W、 Cr、 Mn等。隔壁老王关系的结果你懂得！它们的X情结晶就是有个孩子叫碳化物！（X=友、爱、偷……）。而且与碳的亲和力越大，形成碳化物的趋势就越强，这种碳化物也就越稳定，越不易分解。合金元素形成碳化物的稳定程度由强到弱的排列次序为：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Fe。
由于合金元素众多，除了隔壁老王，还有楼上老张、楼下小江、对门克强，而钢一旦炼成，碳量确定，那么就出问题了，碳不够用啊！那怎么办？它们中的一部分与碳形成碳化物，另一部分只能无奈地溶入奥氏体和铁素体中了，各元素在这两者之间的分配，决定于它们形成碳化物的强弱程度及含量。
碳化物形成元素中的Ti、Zr、V、Nb为强碳化物形成元素，它们和碳有极强的化合力，只要有足够的碳，在适当的条件下，就能形成它们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶入固溶体中。Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶解于铁素体和奥氏体中；中强碳化物形成元素为W、Mo、Cr，当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，当其含量较高时，则可能形成新的特殊碳化物。
下面我们说说碳的化合物，对隔壁老王比较气愤的、对隔壁老王行为不能理解的绕过下一段。
隔壁老王的孩子往往具有特殊的性能，从耶稣到秦始皇，从刘邦到武媚娘，都是聪明的孩子（没有考证，耶稣的隔壁老王据说到现在也没有找到，秦始皇的隔壁老王据说是吕不韦、刘邦的隔壁老王据说是神龙……），因此，碳化物往往具有特殊的性能，比如高的熔点、高的硬度、特殊的物化性能，如此等等。
先说说渗碳体，渗碳体是铁碳化合物，长得既不像他爹也不像他娘，也就是说晶体结构既不是铁的也不是碳（石墨）的，是自己单独的。熔点较高，特别硬，其实，钢是比较软的铁素体+比较硬的渗碳体相构成，这也是为什么铁碳合金相图的组元标注Fe-Fe3C的原因之一。铁素体类似水泥，纯水泥其实并不怎么结实，渗碳体可以看做沙子，沙子之间几乎没有强度却很硬，把水泥和沙子按照不同的比例混合，调整沙子的比例就形成了性能不同的混凝土，而混凝土是相当结实的。与此类似，调整渗碳体的比例就形成了性能不同的钢，而调整渗碳体比例，首先是调整碳含量，这个由钢铁厂做，搞热处理的只要选对就可以了，其次是用热处理来调整，通过加热时控制溶入奥氏体的量或者通过冷却时的析出、回火温度和时间的控制来调整。
此外，作为混凝土，即使一样的沙子量，沙子的大小、形状、分布不同，混凝土的性能也不同，抹墙的用细沙子，铺地的用小石子，铺路用较大的石头子，打地基的用石头块。所以，即使同样含碳量的钢，也可以通过不同的热处理工艺来调整渗碳体的大小、形状、分布，从而来达到钢性能不同的目的。比如说球化退火来调整渗碳体的形状，正火来调整渗碳体片的厚薄，回火来调整渗碳体颗粒的大小，双相区亚温淬火调整渗碳体与铁素体比例，如此等等。
如果碳原子与合金元素原子半径相比rC/rM ＞0.59时，就形成如Cr23C6、Cr7C3、Mn3C、Fe3C、M6C（如Fe3Mo3C、Fe3W3C）等的间隙化合物。这类化合物熔点较低，稳定性稍差，加热时较易溶解于奥氏体中，从而提高淬透性。合金元素只有溶入奥氏体才能够提高淬透性。所以，Mn、Cr是提高淬透性效果比较大的合金元素。调质钢和一般钢几乎都含有Cr、含有Mn，或者两者皆有之。
再次我们说说间隙相。如果碳原子与合金元素原子半径相比当rC/rM<0.59时，形成间隙相，或称之为特殊碳化物，如WC、VC、TiC、W2C、Mo2C等，与间隙化合物相比，它们的熔点、硬度高，很稳定，热处理时不易分解，不易溶于奥氏体中。
所以，W、V、Ti、W、Mo等这类元素对提高淬透性作用不明显，因为不易溶入奥氏体，其实加它们的目的并不是为了提高淬透性。当然，如果你非得用它们提高淬透性，那么热处理时就不得不把加热温度提高。加这类元素的主要目的另有原因。比如利用它们的高熔点的特点，用在耐热的地方，利用它们的高硬度的特点，用在耐磨的场合或希望减少磨损的工模具上面，利用它们很稳定的特点，用在高温环境的零件用材料，如此等等。
最后，还有一点需要说明，合金元素还可以溶入碳化物中形成多元碳化物，如Fe4Mo2C、Fe21Mo2C6、Fe21W2C6等，其中Fe、W或Fe、Mo的比例常有变化，而且还能溶解其它金属，故常以M6C、M23C6表示。合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体，如（FeCr）3C、（FeMn)3C等，常以(FeM)3C表示。
