低温钢最重要的技术要求是要有良好的低温缺口韧性。在各种合金元素中，镍是低温钢里最重要的合金元素。镍不和碳形成碳化物，但镍与铁能形成置换固溶体。随着镍含量的提高，冷却时Ms点降低，奥氏体的稳定性增大，当镍含量足够高时，甚至在-196℃的液氮温度下也不发生马氏体转变，从而得到全部是奥氏体组织，因此镍是形成和稳定奥氏体的元素。镍元素加入钢中后，它与基体形成置换固溶体，铁素体的韧性显著提高，从而低温钢的低温韧性也随之提高。同时随着镍含量在钢中的增加，韧脆转变温度降低，提高低温韧性，因此镍是提高钢的低温韧性、降低韧脆转变温度最有效的元素。需要添加多少含量的镍元素要取决于实际的使用温度，镍含量不够，低温韧性达不到标准，镍含量过高，成本太高，同时如果镍含量太高也会损害焊接等工艺性能。

 碳元素在钢铁中起到强化的作用，但是对韧性来说确是有害元素，碳元素太高的话，会容易形成碳化物夹杂，不利于低温钢基体的纯净，所以在强度足够的情况下，应使碳元素含量尽量低，这样钢的低温韧性会提高，韧脆转变温度也会下降，同时改善焊接性能，所以低温钢通常都是低碳钢。

 锰在低温钢中的适量存在对韧性有益，它能降低韧脆性转变温度。通过提高低温钢中的锰和碳的比例，钢的韧性可以显著提高。锰还是奥氏体稳定元素，在等温过程中的可以向奥氏体扩散提高奥氏体的稳定性。此外，用适量的锰代替部分镍，还可降低成本，提高经济性。

 除了在低温钢中的主要元素外，还加入适量的铝、铌、钒等元素，能有效细化钢的晶粒，如果在控制轧制和控制冷却的条件下，在这些微合金元素的作用下钢的低温韧性可大幅度改善。

 对于镍系低温钢，在冶炼过程中最重要的是控制硫、磷、氮和氧等杂质元素的含量，是提高低温钢低温韧性的重要手段。也有研究表明，加入适量的铜元素可以提高强塑积。

 铜富集在奥氏体中使得更多的奥氏体保留下来，并且由于铜的析出物的强化作用，强度提高又不降低韧性。加入其他一些元素（比如钼、钛、铬和钨）也有相同的强化作用。

 利用残余奥氏体的TRIP效应提高中锰钢的强塑积，需要考虑奥氏体的稳定性来获得更多的奥氏体含量，在9镍钢中同样需要关注奥氏体的稳定性，希望得到在液氮温度下更多的奥氏体含量。影响奥氏体稳定性的因素一般有以下几个：化学成分、尺寸、与位错有关的机械稳定性。合金元素含量越高，尺寸为薄片状、分布弥散，奥氏体的稳定性更高。在中锰钢中，碳和锰元素对于奥氏体稳定性的研究比较充分。在9N镍钢中，已有的研究都是关注碳元素在热处理过程中怎么样影响奥氏体的稳定性，但是镍元素和少量的锰元素在热处理过程中也会向奥氏体中扩散，影响奥氏体的稳定性，这部分内容还没看到相关的研究结果发布，有必要对其开展研究。有相关文献研究了QT和QLT两种热处理对于残余奥氏体稳定性的影响，并且研究了残余奥氏体的机械稳定性。结果显示，QLT处理形成的组织更加细小，奥氏体有以薄片状形式和块状存在，而在QT中只有块状形式的奥氏体存在，QLT对于奥氏体稳定性的作用是更加明显的。同时拉应力相比于压应力更能促使奥氏体向马氏体转变，这个可以简单理解为奥氏体向马氏体转变是一个体积膨胀的过程。