عناصر آلیاژی رایج عبارتند از کروم، نیکل، مولیبدن، تنگستن، وانادیم، تیتانیوم، نیوبیم، زیرکونیوم، کبالت، سیلیکون، منگنز، آلومینیوم، مس، بور، خاک کمیاب و غیره. فسفر، گوگرد و نیتروژن نیز در برخی از گریدهای فولادی به عنوان آلیاژ عمل می کنند (مانند 11SMn30).
1. کروم (Cr) کروم می تواند سختی پذیری فولاد را افزایش دهد و اثر سخت شدن ثانویه را دارد که می تواند سختی و مقاومت در برابر سایش فولاد کربنی را بدون ایجاد شکننده شدن فولاد بهبود بخشد. هنگامی که محتوای آن از 12 درصد فراتر رود، فولاد دارای مقاومت اکسیداسیون در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی اکسیداسیون است و همچنین استحکام حرارتی فولاد را افزایش می دهد. کروم عنصر آلیاژی اصلی فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر اسید و فولاد مقاوم در برابر حرارت است. کروم می تواند استحکام و سختی فولاد کربنی را در حالت نورد شده بهبود بخشد و افزایش طول و کاهش سطح را کاهش دهد. هنگامی که محتوای کروم از 15 درصد بیشتر شود، استحکام و سختی کاهش می‌یابد و ازدیاد طول و کاهش سطح بر همین اساس افزایش می‌یابد. عملکرد اصلی کروم در ساختار کوئنچ شده و تمپر شده بهبود سختی پذیری است، به طوری که فولاد پس از کوئنچ و تمپر خواص مکانیکی جامع بهتری دارد. در فولاد کربن دار، کاربیدهای حاوی کروم نیز می توانند تشکیل شوند، در نتیجه مقاومت سطحی مواد بهبود می یابد. ساینده بودن فولاد فنری حاوی کروم در طی عملیات حرارتی به راحتی کربن زدایی نمی شود. کروم می تواند مقاومت در برابر سایش، سختی و سختی قرمز فولاد ابزار را بهبود بخشد و پایداری مناسبی دارد. در آلیاژهای الکتروترمال، کروم می تواند مقاومت در برابر اکسیداسیون، مقاومت و استحکام آلیاژ را بهبود بخشد.
2. نیکل (نیکل) نیکل فریت را تقویت می کند و پرلیت را در فولاد تصفیه می کند. اثر کلی افزایش استحکام است و تأثیر آن بر انعطاف پذیری قابل توجه نیست. به طور کلی، برای فولاد کم کربن که در حالت نورد، نرمال یا آنیل شده بدون عملیات خاموش کردن و تمپر استفاده می شود، مقدار خاصی از نیکل می تواند استحکام فولاد را بدون کاهش قابل توجهی از چقرمگی آن افزایش دهد. نیکل در حالی که استحکام فولاد را بهبود می بخشد، نسبت به سایر عناصر آلیاژی آسیب کمتری به چقرمگی، پلاستیسیته و سایر خواص فرآیندی فولاد وارد می کند. برای فولاد کربن متوسط، از آنجایی که نیکل دمای تبدیل پرلیت را کاهش می دهد، پرلیت نازک تر می شود. و چون نیکل محتوای کربن نقطه یوتکتوئید را کاهش می دهد، تعداد پرلیت از فولاد کربنی با محتوای کربن یکسان بیشتر است. استحکام فولاد فریتی پرلیتی حاوی نیکل بیشتر از فولاد کربنی با محتوای کربن یکسان است. در مقابل، اگر استحکام فولاد یکسان باشد، می توان محتوای کربن فولاد حاوی نیکل را به طور مناسب کاهش داد تا چقرمگی و انعطاف پذیری فولاد بهبود یابد. نیکل می تواند مقاومت فولاد را در برابر خستگی افزایش دهد و حساسیت فولاد را به بریدگی کاهش دهد. نیکل دمای انتقال شکننده در دمای پایین فولاد را کاهش می دهد، که برای فولاد با دمای پایین اهمیت زیادی دارد. فولاد با 3.5 درصد نیکل در درجه -100 و فولاد با 9 درصد نیکل در درجه -196 قابل استفاده است. نیکل مقاومت فولاد را در برابر خزش افزایش نمی دهد، بنابراین به طور کلی به عنوان یک عنصر تقویت کننده برای فولادهای مقاوم حرارتی استفاده نمی شود. علاوه بر این، نیکل اضافه شده به فولاد نه تنها می تواند در برابر اسید مقاومت کند، بلکه در برابر قلیایی نیز مقاومت می کند و در برابر اتمسفر و نمک مقاومت به خوردگی دارد. نیکل یکی از عناصر مهم در فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر اسید است.
3. مولیبدن (Mo) مولیبدن می تواند سختی پذیری و استحکام حرارتی در فولاد را بهبود بخشد، از شکنندگی مزاج جلوگیری کند، ماندگاری و اجبار و مقاومت در برابر خوردگی را در رسانه های خاص افزایش دهد.
4. تنگستن (W) علاوه بر تشکیل کاربید در فولاد، تنگستن تا حدی در آهن حل می شود و یک محلول جامد تشکیل می دهد. اثر آن شبیه مولیبدن است. با محاسبه کسر جرمی، اثر کلی به اندازه مولیبدن قابل توجه نیست. الگوی اصلی تنگستن در فولاد افزایش پایداری تمپر، سختی قرمز، استحکام حرارتی و افزایش مقاومت به سایش به دلیل تشکیل کاربیدها است. بنابراین، عمدتا برای فولاد ابزار، مانند فولاد با سرعت بالا، فولاد برای قالب های فورج گرم و غیره استفاده می شود. با توجه به افزودن تنگستن، مقاومت در برابر سایش و ماشینکاری فولاد می تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد، بنابراین تنگستن عنصر اصلی است. از فولاد ابزار آلیاژی
5. وانادیوم (V) وانادیم میل ترکیبی قوی با کربن، آمونیاک و اکسیژن دارد و ترکیبات پایدار مربوطه را با آن تشکیل می دهد. وانادیوم عمدتاً به شکل کاربید در فولاد وجود دارد. عملکرد اصلی آن پالایش ساختار و دانه فولاد و کاهش استحکام و چقرمگی فولاد است. هنگامی که در یک محلول جامد در دمای بالا حل می شود، سختی پذیری را افزایش می دهد. برعکس، زمانی که به صورت کاربید وجود داشته باشد، سختی پذیری را کاهش می دهد. وانادیوم پایداری فولاد سخت شده را افزایش می دهد و یک اثر سخت شدن ثانویه ایجاد می کند. محتوای وانادیوم در فولاد، به استثنای فولاد ابزار پرسرعت، معمولاً بیش از 0.5 درصد نیست. وانادیوم می تواند دانه ها را در فولاد آلیاژی کم کربن معمولی تصفیه کند، استحکام و نسبت تسلیم را پس از نرمال شدن و ویژگی های دمای پایین بهبود بخشد و عملکرد جوش فولاد را بهبود بخشد. وانادیوم در فولاد سازه‌ای آلیاژی اغلب در ترکیب با منگنز، کروم، مولیبدن و تنگستن در فولاد سازه‌ای استفاده می‌شود، زیرا سخت‌شدگی را در شرایط عملیات حرارتی عمومی کاهش می‌دهد.
6. تیتانیوم (Ti) تیتانیوم میل ترکیبی قوی با نیتروژن، اکسیژن و کربن دارد و میل ترکیبی قوی تری با گوگرد نسبت به آهن دارد. بنابراین یک اکسید زدا خوب و عنصر موثری برای تثبیت نیتروژن و کربن است. اگرچه تیتانیوم یک عنصر تشکیل دهنده کاربید قوی است، اما با عناصر دیگر ترکیب نمی شود و ترکیبات پیچیده ای را تشکیل نمی دهد. کاربید تیتانیوم دارای نیروی اتصال قوی، پایداری است و به راحتی تجزیه نمی شود. تنها زمانی که در فولاد تا دمای بالای 1000 درجه حرارت داده شود، می توان آن را به آرامی در محلول جامد حل کرد. پردازش فلز ویچت، محتوا خوب است، ارزش توجه دارد. قبل از حل شدن، ذرات کاربید تیتانیوم از رشد دانه جلوگیری می کنند. از آنجایی که میل ترکیبی بین تیتانیوم و کربن بسیار بیشتر از بین کروم و کربن است، تیتانیوم اغلب برای تثبیت کربن در فولاد ضد زنگ استفاده می‌شود تا کاهش کروم در مرز دانه‌ها را از بین ببرد و در نتیجه خوردگی بین دانه‌ای فولاد را حذف یا کاهش دهد. تیتانیوم نیز یکی از عناصر تشکیل دهنده فریت قوی است که دمای A1 و A3 فولاد را به شدت افزایش می دهد. تیتانیوم می تواند انعطاف پذیری و چقرمگی را در فولاد کم آلیاژ معمولی بهبود بخشد. با تثبیت نیتروژن و گوگرد و تشکیل کاربید تیتانیوم، استحکام فولاد افزایش می یابد. پس از نرمال شدن، دانه ها تصفیه می شوند و بارش برای تشکیل کاربید می تواند به طور قابل توجهی انعطاف پذیری و چقرمگی ضربه فولاد را بهبود بخشد. فولاد ساختاری آلیاژی حاوی تیتانیوم دارای خواص مکانیکی و خواص فرآیندی خوبی است، اما نقطه ضعف اصلی آن این است که سختی پذیری کمی ضعیف است.
7. نیوبیم (Nb) نیوبیم می تواند به محلول جامد در فولاد حل شود و در تقویت محلول جامد نقش داشته باشد. هنگامی که در آستنیت حل می شود، سختی پذیری فولاد به طور قابل توجهی بهبود می یابد. اما به شکل ذرات کاربید و اکسید، دانه ها را تصفیه می کند و سختی پذیری فولاد را کاهش می دهد. این می تواند پایداری فولاد را افزایش دهد و یک اثر سخت شدن ثانویه دارد. مقادیر کمی از نیوبیم می تواند استحکام فولاد را بدون تأثیر بر شکل پذیری یا چقرمگی آن افزایش دهد. با توجه به اثر پالایش دانه، می تواند چقرمگی ضربه فولاد را بهبود بخشد و دمای انتقال شکننده آن را کاهش دهد. هنگامی که محتوای آن بیش از 8 برابر کربن باشد، تقریباً تمام کربن موجود در فولاد را می توان ثابت کرد، به طوری که فولاد مقاومت هیدروژنی خوبی دارد. در فولادهای آستنیتی می تواند با اکسید کردن محیط از خوردگی بین دانه ای فولاد جلوگیری کند. با توجه به کربن ثابت و سخت شدن بارندگی، می تواند خواص دمای بالا فولاد مقاومت حرارتی، مانند مقاومت خزشی را بهبود بخشد.
