由于进行铸钢晶粒细化的研究工作难度很大，50多年来，对于可能作为晶粒细化剂的材料、进行过较多研究工作的主要只有3种，即Ti、Nb和稀土元素。
1、Ti
50多年前，J.F. Wallace及其研究团队曾经就多种可能作为晶粒细化剂的材料、研究其在铸钢中的作用。所用的钢是低碳钢（美国牌号1018）和含C 0.30％～0.35％的Ni-Cr-Mo低合金高强度钢（美国牌号4330）。
试验中发现， Ti具有比较明显的晶粒细化作用，但钢的性能方面却存在着很多问题。
钢液中加入0.6％的Ti后
钢液中加入0.6％的Ti（钢中残留Ti 0.46％左右）后，4330钢铸态组织的晶粒明显细化，二次枝晶间距大幅度缩小（约缩减40％），当时，他们认为，这是因为TiC可以作为钢液中δ-铁素体、奥氏体结晶析出的异质晶核。
但是，加Ti 0.6％的钢经常规的调质处理后，晶粒细化了，可是，在力学性能方面却存在很多问题，如：钢的抗拉强度不但未能提高，反而略有下降；韧性大幅度下降尤其令人瞠目，断面收缩率从30.3％下降到3.6％。当时，他们认为：韧性大幅度下降是由于枝晶间形成了大量硫化钛薄膜，这种薄膜不仅遮蔽了晶粒细化的强化作用，而且导致钢的脆化。
为了解决硫化钛薄膜致脆的问题，他们采用了一种特殊的热处理工艺。低合金钢调质处理前，先在高温下进行均匀化处理（在1 350 ℃下保温24 h）。经均匀化处理的钢，韧性基本上可以恢复，强度也比不加Ti的钢略高一点。可是，这种工艺在实际生产中是不可行的。
硫化钛薄膜致脆的问题
针对硫化钛薄膜致脆的问题，他们曾用低硫钢（S 0.007％）、加入0.1％的Ti进行试验。虽然钢的断面收缩率明显提高，但抗拉强度、屈服强度并未能提高。
最近，Tuttle也就中碳钢，对Ti的晶粒细化作用进行了研究，加Ti量为0.1％和0.3％，以钛铁加入。Ti对钢的组织和性能的影响大致如下：
01未加入Ti的钢，铁素体呈针状；加Ti以后，铁素体呈粒状。由于粒形的差异，难以判断其晶粒大小的差别。
02随着Ti含量的增加，钢的屈服强度和抗拉强度都略有提高，但伸长率的数据分散。
03Tuttle用扫描电镜、透射电镜观察，用能量分散光谱仪分析，确认钢中含有TiC、TiN和Ti的碳、氮化物。但是，用Schiel凝固分析方法得到的结果表明，约在钢液凝固60％以后，才有Ti的碳、氮化物的析出。由此可见，虽然Ti的碳、氮化物与δ-铁素体晶格不适配程度并不大，但是不可能作为钢中的异质晶核，只能析出于晶界，起钉扎作用、抑制晶粒的长大。
2、Nb
Nb在钢中与氧、氮、碳的亲和力很强，其作用与Ti类似，能与之结合形成稳定的化合物。Nb在钢中形成的化合物可以两类：
01氧化物，有NbO和NbO2两种。NbO的熔点较高，为1 935 ℃，而且与δ-铁素体晶格不适配的程度也较小，在钢中，有可能成为δ-铁素体析出的异质晶核。NbO2与δ-铁素体晶格不适配的程度大，不能成为异质晶核；
02碳化物NbC和氮化物NbN，而且二者易于互溶，成为Nb的碳、氮化物［Nb（C、N）］。
早期，钢中加入少量的Nb就有提高强度的作用，有人认为作用的机制是晶粒细化，因为，钢液中形成的NbO的熔点高，可以作为凝固、结晶的异质晶核；也有人认为，Nb提高强度的机制是沉淀硬化。其说不一。
最近，为了辨明Nb使钢强化的机制，Tuttle对Nb在钢中的作用又进行了试验、研究工作。
试验用钢是碳含量0.3％左右的中碳钢（美国牌号1030），在感应电炉中熔炼，终脱氧后、浇注过程中分别向液流中加入NbO、NbO2和铌铁合金，然后，考核其对钢的组织和性能的影响。
NbO和NbO2都用纯度99％、通过325目筛的细粉料，两者的加入量都分别为0.05％和0.10％。铌铁合金的用量按加入Nb 0.07％和0.14％计算。
钢液中加入Nb或其氧化物后，钢的强度都有所提高，但伸长率下降。
加入Nb或其氧化物后，显微组织中针状铁素体较少、而等轴晶较多，但晶粒度反而大于不加Nb或其氧化物的钢。这就说明，钢中加入Nb，不会形成异质晶核。
对钢中夹杂物的观察和分析，使我们对Nb在钢中的作用有了进一步的认知。
用扫描电镜观察、用能量散射光谱仪分析的结果表明：加入NbO或NbO2的钢，组织中都不存在单独的NbO或NbO2，它们都与存在于钢中Al2O3、FeO作用，形成复合化合物夹杂；加入铌铁合金的钢中，夹杂物的情况相同。
由此可见， NbO、NbO2的熔点虽然很高，如NbO的熔点为1 935 ℃，但在钢液中是不稳定的，因此，不可能作为钢液凝固、结晶的异质晶核。
考虑到有关NbO、NbO2在钢液中热力学稳定性的数据很少，为了对上述观点作进一步的确认，Tuttle又进行了相平衡试验。
用3只带盖的小坩埚，各装入纯铁粒40 g后，再分别装入NbO 2.5 g，NbO22.5 g，铌铁合金3 g。然后，以5 ℃/min的速率加热到1 590 ℃，保温2 h后冷却8 h。
研究、分析的结果表明，加有NbO、NbO2的试样中，夹杂物与取自铸件的试样相同，没有单独的NbO和NbO2。
加入铌铁合金的试样中，没有含Nb的夹杂物，这是因为Nb全部溶于铁中了。
由此，可以肯定：NbO在远低于其熔点的温度（1 590 ℃）下就是不稳定的，因而，不可能作为钢液凝固、结晶的异质晶核。
钢中加入少量的Nb，就有提高强度的作用，很可能其作用的机制是沉淀硬化，因为Nb很容易溶于钢中，凝固后冷却过程中可能在晶粒内析出微细的碳、氮化物，抑制晶粒的位错。
3、稀土元素
铸造行业所用稀土元素，主要是铈、镧等轻稀土，其活性很强，在钢液温度下，很容易与钢液中的氧、硫作用，形成高熔点的氧化物、硫化物。以最常用的铈为例：CeO2的熔点为2 347 ℃，Ce2O3的熔点为2 142 ℃，CeS的熔点为2 450 ℃。
