碳是提高鋼的強度和硬度的最有效的元素，根據合金元素與鋼中碳的作用，分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素兩大類。碳化物形成元素是可以形成各種類型的碳化物，其結合力的強弱依次為Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn和Fe等，除了形成Fe3C外，合金元素與碳結合形成特殊碳化物。

合金碳化物有的比滲碳體硬度高、組織穩定，具有比一般碳鋼更加耐磨的特點，通過適當的冶煉、熱加工和熱處理，以獲得要求的組織、形態、大小和碳化物的分布，就能充分發揮合金元素的作用。

非碳化物形成元素在鋼中不能與碳化合，它們通常以原子的狀態分布于奧氏體和鐵素體等固溶體，Si、Cu、Ni和Co等元素屬于該類元素，對力學性能的影響較大。

(1)低溫回火對鋼力學性能的影響

鋼淬火后進行低溫回火得到回火馬氏體組織，此時碳和合金元素處于飽和固溶體內，由于鋼的硬度主要取決于基體α相中的含碳量，合金元素對硬度、強度的影響不大。因此加入合金元素的目的是通過提高鋼的淬透性，使較大截面的零件淬火后獲得馬氏體，同時也起到細化晶粒的作用。

(2)中溫回火對鋼的力學性能的影響

回火托氏體是中溫回火后的組織，它是由合金鐵素體和合金碳化物組成的，合金元素具有固溶強化的效果，合金碳化物對合金鐵素體產生彌散強化的作用，因此中溫回火可得到比碳鋼高的強度、硬度、彈性極限以及高的疲勞強度等，多用于彈簧鋼的熱處理。

(3)高溫回火對鋼的力學性能的影響

合金元素對高溫回火鋼的力學性能的影響主要表現在以下幾個方面。

①合金元素的加入既能使鐵素體固溶強化，也會使鐵素體的再結晶溫度提高，因此延緩了α相的回復和再結晶過程，故具有較高的強度和韌性。

②V、Mo等合金元素顯著提高了鋼的回火穩定性，阻止了碳化物的球化和粗化過程，故回火后仍能保持細小的碳化物顆粒，確保了鋼具有高的的強度和良好的韌性。

③Mn、Mo、Cr、Si、Ni等合金元素能提高鋼的淬透性，在調質狀態下可獲得良好的綜合力學性能，Ti、V、Nb等可強烈阻礙奧氏體晶粒的長大，使調質處理后的強度和韌性得到提高。

④Mn、Cr、P、V、Ni等元素使鋼的第二類回火脆性的敏感性增加，因此調質結構鋼回火后應快速冷卻，避免出現回火脆性的出現。

從上面的分析可知，合金結構鋼在淬火+高溫回火的綜合力學性能高于碳素結構鋼，其原因在于碳化物形成元素的有效強化作用，Si、Mn等元素的強化效果差，Co、Ni等元素最弱。