合金成分设计是热作模具钢的研究热点之一。
一般来说，增加合金元素可以提高热作模具钢的淬透性和强度。
近些年，广泛使用的瑞典ORO系列热作模具钢以及HD等模具钢都是通过降低Cr含量，提高Mo含量，从而增加了回火后稳定性高的M2C碳化物的数量，进而提高材料的热稳定性。
研究表明，当热锻模具钢中Cr含量超过4wt%后，会形成大量的Cr23C6和Cr7C3碳化物，高温耐磨损性能降低【Shuqi W et al. Journal of Iron & Steel Research International, 2006】。
添加非碳化物形成元素Al、Ni等，可以调整钢的组织与性能。
徐祖耀先生研究发现，Al可以降低基体中W、Mo、Cr以及V的扩散系数，使得碳化物不易长大和集聚，提高了材料的回火稳定性【徐祖耀.机械工程材料, 1993】。
曾艳等人在新型热作模具钢SDDVA钢中加入2wt% Ni元素后发现，Ni能够在淬火时阻碍碳化物向基体中溶解，未溶的碳化物颗粒在晶界处能有效阻止原始奥氏体的长大，从而使材料允许的淬火加热温度提高【曾艳,等. 材料导报, 2017】。
图1为含Ni与不含Ni的SDDVA钢在1030℃淬火后的晶粒图，从图中可以看出，含Ni模具钢在相同温度淬火后，晶粒尺寸更小。
何雪松等人发现Ni可以显著降低SDYZ模具钢的相变点（Ac1、Ac3和Ms），降低获得全马氏体组织的临界冷速，提高模具钢的淬透性【何雪松,等. 材料热处理学报, 2015】。
图1 SDDVA模具钢1030℃淬火态晶粒度：(a)不含镍钢;(b)含镍钢在适当的热处理工艺条件下，添加非金属元素可以改善模具钢组织与性能。
研究表明，回火温度在500℃以下，增加Si含量可以提高钢的强度【Umino M, et al. Tetsu to Hagane, 2003】。
回火温度超过500℃时，Si含量增加会导致合金碳化物在晶界附近粗化，降低钢的断裂韧性和抗热疲劳性。
Jinbo Gu等人研究发现，添加0.08wt%N元素可以在韧性不变的前提下提高4Cr5Mo2V模具钢硬度和强度。
含0.08wt%N的模具钢回火时析出的碳化物尺寸更小，并且随着回火温度的上升，碳化物长大速度更慢，表明含N的4Cr5Mo2V模具钢具有更好的回火稳定性【Jinbo G et al. metals, 2017】。
在钢中添加稀土元素可以起到变质、净化、微合金化以及细化晶粒等作用，从而提高材料的综合性能。
陈方明等人发现，稀土元素可以细化锻造模具钢5CrMnMo晶粒，改变硫化物夹杂的形状，提高钢的横向冲击性能，使锻造模具的使用寿命提15~20%【陈方明,等.特殊钢, 2000】。