หลังจากเติมธาตุโลหะผสมลงในเหล็กแล้ว ธาตุเหล่านี้จะมีอยู่ในเหล็กในสามรูปแบบหลัก ได้แก่ การสร้างสารละลายของแข็งด้วยเหล็ก การสร้างคาร์ไบด์ด้วยคาร์บอน และการสร้างสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกในเหล็กโลหะผสมสูง
1.ละลายในธาตุเหล็ก
ธาตุโลหะผสมเกือบทั้งหมด (ยกเว้น Pb) สามารถละลายในเหล็กเพื่อสร้างโลหะผสมเฟอร์ไรต์หรือโลหะผสมออสเทไนต์ เมื่อพิจารณาจากผลกระทบต่อ -Fe หรือ -Fe ธาตุโลหะผสมสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ การขยายบริเวณเฟสออสเทไนต์และการหดตัวบริเวณเฟสออสเทไนต์
ธาตุที่ขยายบริเวณเฟสซึ่งเรียกอีกอย่างว่าธาตุที่ทำให้ออสเทไนต์เสถียร ได้แก่ Mn, Ni, Co, C, N, Cu เป็นต้น ธาตุเหล่านี้ทำให้จุด A3 (จุดเปลี่ยนเฟส -Fe) ลดลงและจุด A4 (จุดเปลี่ยนเฟส -Fe) เพิ่มขึ้น จึงทำให้ช่วงการมีอยู่ของเฟสขยายขึ้น ในจำนวนนี้ Ni, Mn เป็นต้น เมื่อเพิ่มเข้าไปในปริมาณหนึ่ง จะทำให้บริเวณเฟสขยายออกไปต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง ทำให้บริเวณเฟสหายไป ซึ่งเรียกว่าธาตุที่ขยายบริเวณเฟสอย่างสมบูรณ์ ธาตุอื่นๆ บางชนิด (เช่น C, N, Cu เป็นต้น) แม้จะขยายบริเวณเฟส แต่ไม่สามารถขยายให้ถึงอุณหภูมิห้องได้ จึงเรียกว่าธาตุที่ขยายบริเวณเฟสบางส่วน
ธาตุที่ลดพื้นที่เฟส - เรียกอีกอย่างว่าธาตุปรับเสถียรภาพเฟอร์ไรต์ ได้แก่ Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Si, B, Nb, Zr เป็นต้น ธาตุเหล่านี้จะเพิ่มจุด A3 และลดจุด A4 (ยกเว้นโครเมียม เมื่อปริมาณโครเมียมน้อยกว่า 7% จุด A3 จะลดลง เมื่อมากกว่า 7% จุด A3 จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว) ทำให้ช่วงพื้นที่เฟสลดลงและพื้นที่เสถียรของเฟอร์ไรต์ขยายขึ้น ตามหน้าที่ที่แตกต่างกัน ธาตุเหล่านี้สามารถแบ่งได้เป็นธาตุที่ปิดพื้นที่เฟสอย่างสมบูรณ์ (เช่น Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Si เป็นต้น) และธาตุที่ลดพื้นที่เฟสบางส่วน (เช่น B, Nb, Zr เป็นต้น)
2. ธาตุโลหะผสมที่ขึ้นรูปคาร์ไบด์สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ ธาตุที่ขึ้นรูปคาร์ไบด์ และธาตุที่ไม่ขึ้นรูปคาร์ไบด์ ตามความสัมพันธ์กับคาร์บอนในเหล็กกล้า
ธาตุที่ไม่ใช่คาร์ไบด์ทั่วไป ได้แก่ Ni, Co, Cu, Si, Al, N, B เป็นต้น โดยพื้นฐานแล้วธาตุเหล่านี้จะละลายในเฟอร์ไรต์และออสเทไนต์ ธาตุที่มักพบในการขึ้นรูปคาร์ไบด์ ได้แก่ Mn, Cr, W, V, Nb, Zr, Ti เป็นต้น (เรียงตามลำดับความเสถียรของคาร์ไบด์ที่ขึ้นรูปจากอ่อนไปแข็ง) ธาตุบางชนิดละลายในเฟสเมทริกซ์ในเหล็ก และบางชนิดก่อตัวเป็นซีเมนไทต์โลหะผสม เมื่อมีปริมาณสูง ก็สามารถก่อตัวเป็นสารประกอบคาร์บอนโลหะผสมใหม่ได้
