隨著現代化工業和科學技術的不斷發展，對鋼鐵材料也提出更高的要求。要求鋼材有更高的強度，并且還具有耐高/低溫、耐高壓、耐腐蝕等特性。例如，大型氮肥廠中所用的金屬材料，用天然氣或石油氣制氫的轉化爐，其燃燒溫度高達1 050℃,壓力高達3 MPa，這就要求金屬材料能耐高溫氧化和具有高溫強度等性能;用深冷法制氮的設備.則要求金屬材料在-196℃時有冷韌性(即低溫不脆)的特性;在氨合成塔中，氮和氫是在高溫高悵下進行反應而合成氨，因而制造合成塔的材料，必須具有高溫高壓下抗氫氮腐蝕的特性。

大型氮肥廠的單機設備很大，如瓶式合成塔高達27 m，外徑3.2 m,壁厚近200 mm,總質量有三百多噸，這種既重又大的設備，給制造、運輸、安裝造成很大困難，因而對制造這些大型設備的金屬材料要求強度高，綜合力學性能好，以減小設備的壁厚和自重，如果用碳素鋼制造，無論怎樣改善熱處理工藝都無法達到良好的綜合力學性能要求。至于高溫抗氧化性、熱強性、冷韌性、在高溫高壓下耐氫氮腐蝕的性能，碳素鋼就更不具備了。為了解決上述問題，工程人員在碳素鋼中加入除碳以外的一種或幾種其他合金元素來改變鋼的組織和性能，以滿足工業上提出的各種要求。

近年來已經成功地生產了大量的各種類型的鋼材，例如在40號鋼中加入0. 80%-1.10%Cr，則這種鉻鋼在水中淬透的直徑可以從40號鋼的20 mm提高到45 mm。又如在低碳素鋼中加入高于13%Cr，這種鋼就具有不生銹的特殊性能。上述這些為改善鋼的組織和性能而特意加入的元素，稱為合金元素，含有合金元素的鋼稱為合金鋼。由于合金元素的加入使鋼的成本提高，因此合金鋼只用于重要的、碳素鋼不能滿足其性能需要的工件上。