將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，並在此溫度中保持一定的時間後又以不同速度冷卻的一種工藝。金屬熱處理是機械製造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在品質，而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。
簡史 在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770～前222年，中國人在生產實踐中就已發現銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而發生變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。公元前6世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為瞭提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經過淬火的。隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現淬冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就註意到不同水質的冷卻能力瞭，同時也註意瞭油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4％，而表面含碳量卻達0.6％以上，說明已應用瞭滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發展很慢。
1863年，英國金相學傢和地質學傢展示瞭鋼鐵在顯微鏡下的6種不同的金相組織，證明瞭鋼在加熱和冷卻時，內部會發生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時（見鋼鐵顯微組織）轉變為一種較硬的相。法國人F.奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，即鐵在加熱過程中，形成α鐵、β鐵、γ鐵的變態理論，以及英國人R.奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現代熱處理工藝初步奠定瞭理論基礎。與此同時，人們還研究瞭在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。1850～1880年，對於應用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人H.H.萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。
20世紀以來，金屬物理的發展和其他新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發展。一個顯著的進展是1901～1925年在工業生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳。30年代出現露點電位差計，使爐內氣氛的碳勢達到可控，以後又研究出用 CO2紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法。60年代熱處理技術移植等離子場的作用，發展瞭離子滲氮、滲碳工藝。激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得瞭新的表面熱處理和化學熱處理方法。
工藝過程 熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻3個過程，有時隻有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。
加熱 加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易於控制，且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。高密度熱源的應用使熱處理工藝又有瞭新的發展。
金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發生氧化、脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低），這對於熱處理後零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用塗料或包裝方法進行保護加熱。
加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織，例如金屬顯微組織從低溫到高溫是在轉變的，而轉變需要一定的時間。因此，當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，同時顯微組織也可轉變完全，這段時間稱為保溫時間。保溫時間的長短和有無因熱處理工藝不同而異。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間。而化學熱處理的保溫時間往往較長。
冷卻 冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟。冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。
為保證熱處理工件的質量，生產中除優選工藝方法外，對於熱處理前後過程的控制也十分重要。金屬熱處理質量控制要從材料進廠檢查、熱處理件進車間的檢查、加熱設備的有效加熱區測定、工藝規范的執行，直到熱處理後的成品檢查等環節進行嚴格控制，需要制訂一系列相應的管理制度。
分類 金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理3大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若幹不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
整體熱處理 對工件整體加熱，然後以適當的速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火4種基本工藝。
退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然後進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度後在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，隻是得到的組織更細，常用於改善材料的切削性能，也有時用於對一些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫後，在水、油或其他無機鹽、有機聚合物水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火後鋼件變硬，但同時變脆。為瞭降低鋼件的脆性，將淬火後的鋼件在高於室溫而低於650℃這一區間的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。
“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為瞭獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體後，將其置於室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性、磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理。在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理。它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理後工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。
表面熱處理 隻加熱工件表層以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為瞭隻加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧-乙炔或氧-丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。
化學熱處理 通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理不同之處是後者改變瞭工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質（氣體、液體、固體）中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素後，有時還要進行其他熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。
作用 熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。大體來說，它的作用有兩個方面。
① 保證和提高工件的各種性能，諸如靜態和動態的力學性能，以及耐磨、耐腐蝕等性能。例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性；30鋼鑄件經退火後抗拉強度和屈服強度均可提高；齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高。價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼。工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。
② 改善毛坯的組織和應力狀態，以利於進行各種冷、熱加工。例如鍛軋件在冷變形過程中會出現加工硬化，使鋼材進一步冷鍛軋加工困難，且易產生裂紋，困此常在冷變形過程中穿插進行中間退火或再結晶退火，以消除加工硬化。亞共析鋼在熱軋狀態下組織粗大，且晶粒大小不均，硬度有時也偏高。利用完全退火可以細化組織和降低硬度，以利於機加工和作淬火準備。低碳鋼和某些低合金結構鋼硬度偏低，在切削加工時易產生“粘刀”現象，致使表面粗糙度升高，采用正火後，提高瞭硬度，從而改善瞭切削加工性。
發展趨勢 金屬熱處理的主要發展趨勢表現在4個方面。①熱處理工藝過程和設備操作實行微處理機控制，並進行零件、鋼材的熱處理工藝優選和建立數學模型的研究。②發展各種節能工藝和設備，例如低溫熱處理特別是低溫化學熱處理、餘熱利用、高效的絕熱材料等的研究與開發。等離子場在熱處理中的應用也將逐步擴大。③研制適合於各種熱處理工藝的新鋼種，例如減少表面脆性的快速滲氮鋼、滲硼鋼、滲碳鋼、減少回火脆性的合金鋼等。④開展密切聯系熱處理工藝性能的物理冶金研究工作，重點是金屬熱處理的組織和性能的研究。
參考書目
安運錚等編著：《熱處理工藝學》，機械出版社，北京，1982。
王國佐、王萬智編著：《鋼的化學熱處理》，中國鐵道出版社，北京，1980。
洪班德等編著：《化學熱處理》，黑龍江人民出版社，哈爾濱，1981。