物理冶金学是一门设计金属物理化学性能的科学。金属及其合金的性能受三种因素的影响：化学性能、物理性能和机械性能。

合金钢可由钢中含的除了碳以外的其他元素来命名。合金元素的加入会提高钢的以下性能：​提高抗拉强度​、提高硬度​、提高韧性​、改变钢的临界温度​、提高耐磨性​、红硬性、耐蚀性。

选择切削液的种别即选择油基切削液还是水基切削液。考虑因素主要是工件材料、加工质量要求（加工精度和表面完整性）、刀具材料、机床状况、加工方法以及切削用量等。

碳素钢热处理后就可以制得硬化工件成本更低，这种工艺通常可以生产外硬内韧的工件。表面硬化有好几种方法，如渗碳、碳氮共渗及渗氮过程。

碳氮共渗是把工件表面加热到临界温度后渗入碳和氮以提高外表面硬度的工艺。碳氮共渗可用液态和气态方法。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个艰难但的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。