改變鋼性能的第三種方法是加入碳以外的合金材料，這種元素產生的特性是普通碳鋼所不能達到的。用于合金化鋼的大約20種元素中的每一種都對微觀組織和微觀結構變化時的溫度、保溫時間和冷卻速度有不同的影響。它們改變鐵素體和奧氏體之間的轉變點，改變溶液和擴散速率，并與其他元素競爭形成金屬間化合物，如碳化物和氮化物。關于合金化如何影響熱處理條件、微觀結構和性能，有大量的經驗資料。此外，在計算機的幫助下，對原理有很好的理論理解，使工程師能夠預測鋼的微觀結構和性能時，合金化，熱軋，熱處理，和冷成型的任何方式。

合金化效果的一個很好的例子是制造具有良好焊接性的高強度鋼。這不能僅用碳作為增強劑來實現，因為碳會在焊縫周圍形成脆性區域，但可以通過保持低碳并添加少量其他增強元素來實現，如鎳或錳。原則上，金屬的強化是通過增加晶格結構對位錯運動的阻力來實現的。位錯是使金屬得以形成的晶體晶格中的缺陷。當像鎳這樣的元素被保存在鐵氧體的固溶中，它們的原子就會嵌入鐵晶格中，阻礙位錯的移動。這種現象稱為溶液硬化。

合金材料更大強度的增加是通過沉淀硬化,其中某些元素(如鈦、鈮、釩)不呆在固溶體在鐵素體鋼冷卻而形成精細分散,極其微小的硬質合金或氮化硅晶體,也有效地限制流動的混亂。此外，這些強碳化物或氮化物形成物中的大部分顆粒較小，這是因為它們的析出物在冷卻金屬的再結晶過程中具有成核效應并減緩晶體生長。生產小晶粒是加強鋼的另一種方法，因為晶粒邊界也抑制了位錯的流動。

合金材料對熱處理有很強的影響，因為它們傾向于減緩原子在鐵晶格中的擴散，從而延緩同素性轉變。這意味著，例如，通常通過快速淬火產生的極硬馬氏體，可以在較低的冷卻速率下產生。這導致更少的內應力，最重要的是，一個更深的硬化區在工件。加入錳、鉬、鉻、鎳和硼等元素可提高合金材料的淬透性。這些合金劑也允許在更高的溫度下回火，從而在相同的硬度和強度下產生更好的延展性。