Le leghe di molibdeno prodotte industrialmente possono essere suddivise in serie Mo-Ti-Zr, serie Mo-W e leghe serie Mo-Re, nonché leghe della serie Mo-Hf-C rinforzate per precipitazione con particelle di carburo di afnio. La lega TZM ha eccellenti proprietà complete ed è la lega di molibdeno più utilizzata. La lega TZC (Mo-1,25 Ti-0,15 Zr-0,15 C) ha una resistenza alle alte temperature e una temperatura di ricristallizzazione più elevate rispetto alla TZM, ma è difficile da lavorare e la sua applicazione è limitata.
Le leghe di molibdeno hanno carenze come fragilità a bassa temperatura, fragilità di saldatura e ossidazione ad alta temperatura, quindi il loro sviluppo è limitato. È difficile migliorare la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura delle leghe di molibdeno mediante leghe. Attualmente, vengono utilizzati solo rivestimenti protettivi per migliorare queste prestazioni. Il problema principale nella ricerca delle leghe di molibdeno è migliorare la resistenza alle alte temperature e la temperatura di ricristallizzazione e migliorare la plasticità del materiale alle basse temperature. Il problema principale nello studio dei materiali di molibdeno puro è migliorare la plasticità a bassa temperatura, cioè ridurre la sua temperatura di transizione plasticità-fragilità.
I principali metodi di rafforzamento delle leghe di molibdeno sono il rafforzamento in soluzione solida, il rafforzamento per precipitazione e l'incrudimento (vedi rafforzamento dei metalli). Titanio, zirconio e afnio sono i principali elementi di lega del molibdeno. L'influenza degli elementi di lega sulla durezza delle barre laminate di molibdeno è mostrata nella figura nella pagina successiva. Titanio, zirconio e afnio possono non solo rafforzare e mantenere la plasticità a bassa temperatura del materiale in soluzione solida, ma anche formare una fase di carburo stabile e dispersa, che migliora la resistenza e la temperatura di ricristallizzazione del materiale.
Le impurità interstiziali carbonio, azoto, in particolare l'ossigeno, hanno un grave impatto sulla temperatura di transizione plasticità-fragilità. La loro solubilità in molibdeno è estremamente bassa (non più di 1 ppm a temperatura ambiente) e gli elementi interstiziali in eccesso si distribuiscono sui bordi dei grani sotto forma di composti di molibdeno, riducendo la resistenza dei bordi dei grani e causando fragili fratture tra i grani. L'aggiunta di tracce di boro alla lega di molibdeno può affinare i grani, purificare i bordi dei grani e modificare la morfologia dei bordi dei grani, migliorando così la plasticità del molibdeno: l'aggiunta di oligoelementi come ferro e ittrio può anche migliorare la plasticità a bassa temperatura (vedi interfaccia). Nel 1955, G. Geach e J. Hughes scoprirono che il renio può migliorare significativamente la plasticità del molibdeno e del tungsteno e può ridurre la temperatura di transizione plasticità-fragilità del molibdeno a -200℃.