合金元素在合金结构钢中的主要作用可归纳为3个方面：1.增加淬透性；2.影响回火过程；3.影响综合力学性能。
一、金元素对淬透性的影响
碳是一种能有效增加淬透性的元素。其他常用合金元素提高淬透性的能力，大体按下列顺序增长：镍、硅、铬、锰、钼、硼。
钢的淬透性来自所含各合金元素对淬透性的贡献。这种贡献只有当合金元素溶入奥氏体后才有可能表现出。
镍增大淬透性的效果较弱。铜对淬透性的贡献与镍相似。
硅能有效地增加高碳奥氏体的淬透性。当奥氏体碳含量和硅含量较低时，硅对淬透性的贡献较小。
锰对淬透性贡献显著，特别是当锰的含量超过0.8%时。锰对淬透性的贡献与镍相近。
铬对淬透性的影响，在低碳钢中略低于锰；在中碳钢时，其效果。
钼能有效地提高淬透性，与中碳钢相比，在高碳钢中钼有更大效果。镍与钼之间有强的交互作用。
钨在过冷奥氏体分解中所起的作用与钼相近，其影响程度约为钼的一半(含量按重量百分数计算时)。同钼一样，钨在高碳钢中比在低碳钢中更为有效。
钛、铌和锆是强碳化物和强氮化物形成元素，其行为与钒相似。这些元素在奥氏体中的溶解度较小或很小，对淬透性的贡献也小。
硼在提高淬透性方面是一个强有力的元素，对淬透性的影响有其独特性和复杂性。硼在钢中有两种状态，即固溶态和结合态。只有当硼溶解在奥氏体中时才能起提高淬透性的作用。硼同氧和氮结合形成硼的氧化物和氮化物，使相当一部分硼含量处于结合态，因而失去增加淬透性的能力，因此，要采取保护硼的方法，使硼保留为非结合态而转移到固溶体中，成为随后淬火后能对淬透性起作用的所谓“有效硼”。
二、合金元素对淬火钢回火转变的影响
合金结构钢与碳钢相比其特点在于有较高的抗回火软化能力，同时，在某些情况下，能显示出二次硬化现象。
合金结构钢之所以具有抗回火稳定性是因为在添加合金元素的情况下，马氏体分解、残余奥氏体转变及渗碳体析出、集聚，均不同程度地被推向较高的温度范围。
不同合金元素在减慢回火软化方面作用不同。非碳化物形成元素镍、铝和弱碳化物形成元素锰对回火钢的软化较小，在抗回火软化方面比较有效的是碳化物形成元素。
碳化物形成元素能较多地把碳保留在马氏体中，从而阻碍马氏体的分解。其中以强碳化物形成元素钒的作用最为显著，钨、钼其次，铬又次之。碳化物形成元素还阻碍残余奥氏体转变，阻碍了合金渗碳体的集聚，使含碳化物形成元素的钢能在更高的回火温度下保持细小的渗碳体颗粒。
非碳化物形成元素硅在回火转变中的作用比较独特，低温下硅不扩散。添加石丰可提高马氏体的分解温度。硅也阻碍渗碳体颗粒的集聚长大。
三、钢中合金元素和杂质元素对淬火、回火后钢的力学性能的影响
钢中合金元素和杂质元素对钢力学性能的影响与钢的组织状态有密切关系。在淬火马氏体状态下，钢的硬度仅取决于马氏体中的碳含量而与其合金元素无关，但是，经回火后，在给定屈服强度下钢的塑性和韧性与钢的成分有密切关系。
碳是不利于调质钢冲击韧性的元素，杂质元素磷，对冲击韧性危害很大，凋质钢中加入1.0%～1.5%锰后，冲击韧性可得到改善(如果未出现回火脆性)。铬含量从1%增加到4%对调质钢的脆性转变温度无太大影响，镍显苦降低脆性转变温度。钢中少量钼和钒并不增大冷脆性。
奥氏体晶粒大小对淬火、回火后钢的韧性有显著影响。当奥氏体晶粒细小时，才会有细小的马氏体组织和高的韧性。钢的晶粒粗化温度是合金结构钢重要的冶金质量指标之一。铝与氮结合形成弥散的AIN粒子，可提高晶粒粗化温度，钒、钛、锆、铌提高奥氏体晶粒粗化温度的作用比铝显著。为此，钒的含量应不小于0.12%，钛、锆、铌的含量均应高于0.04%。
回火脆性对合金结构钢淬火、回火后的韧性有相当大的影响。在250～400摄氏度回火出现的脆性称为低温回火脆性。有些人认为，低温回火脆性与钢中微量的锑、磷、锡、砷等元素在晶界上的富集与吸附有关。添加1.5%～2.0%硅，能将发生低温回火脆性的温度提高100摄氏度左右。
在回火加热后缓慢冷却条件下，在450～600摄氏度区间回火出现冲击韧性值。此现象称为高温回火脆性。高温回火脆性的本质是，回火时，钢中磷、锡、锑、砷等杂质元素沿原奥氏体晶界发生了，偏聚，造成晶界弱化和脆化。一般认为，主要是在有一定碳含量并含有磷、锡、锑、砷等杂质元素的合金钢中才出现比较显著的高温回火脆性。钢中的碳和合金元素通过影响杂质元素的晶界偏聚，从而对高温回火脆性产生影响。钛、铬、锰、镍等增加钢对高温回火脆性的敏感性，而钼、钨、钒等能减小敏感性，是降低高温回火脆性的元素。