改变钢性能的第三种方法是加入碳以外的合金材料，这种元素产生的特性是普通碳钢所不能达到的。用于合金化钢的大约20种元素中的每一种都对微观组织和微观结构变化时的温度、保温时间和冷却速度有不同的影响。它们改变铁素体和奥氏体之间的转变点，改变溶液和扩散速率，并与其他元素竞争形成金属间化合物，如碳化物和氮化物。关于合金化如何影响热处理条件、微观结构和性能，有大量的经验资料。此外，在计算机的帮助下，对原理有很好的理论理解，使工程师能够预测钢的微观结构和性能时，合金化，热轧，热处理，和冷成型的任何方式。
合金化效果的一个很好的例子是制造具有良好焊接性的高强度钢。这不能仅用碳作为增强剂来实现，因为碳会在焊缝周围形成脆性区域，但可以通过保持低碳并添加少量其他增强元素来实现，如镍或锰。原则上，金属的强化是通过增加晶格结构对位错运动的阻力来实现的。位错是使金属得以形成的晶体晶格中的缺陷。当像镍这样的元素被保存在铁氧体的固溶中，它们的原子就会嵌入铁晶格中，阻碍位错的移动。这种现象称为溶液硬化。
合金材料更大强度的增加是通过沉淀硬化,其中某些元素(如钛、铌、钒)不呆在固溶体在铁素体钢冷却而形成精细分散,极其微小的硬质合金或氮化硅晶体,也有效地限制流动的混乱。此外，这些强碳化物或氮化物形成物中的大部分颗粒较小，这是因为它们的析出物在冷却金属的再结晶过程中具有成核效应并减缓晶体生长。生产小晶粒是加强钢的另一种方法，因为晶粒边界也抑制了位错的流动。
合金材料对热处理有很强的影响，因为它们倾向于减缓原子在铁晶格中的扩散，从而延缓同素性转变。这意味着，例如，通常通过快速淬火产生的极硬马氏体，可以在较低的冷却速率下产生。这导致更少的内应力，最重要的是，一个更深的硬化区在工件。加入锰、钼、铬、镍和硼等元素可提高合金材料的淬透性。这些合金剂也允许在更高的温度下回火，从而在相同的硬度和强度下产生更好的延展性。
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