熱處理（或熱處理）是一組工業、熱和金屬加工過程，用于改變材料的物理特性，有時還包括化學特性。 最常見的應用是冶金。 熱處理還用于制造許多其他材料，例如玻璃。 熱處理涉及使用加熱或冷卻，通常達到極端溫度，以達到所需的結果，例如材料的硬化或軟化。 熱處理技術包括退火、表面硬化、析出強化、回火、滲碳、正火和淬火。 盡管術語熱處理僅適用于為了有意改變性能的特定目的而進行加熱和冷卻的過程，但加熱和冷卻通常在熱成型或焊接等其他制造過程中偶然發生。

金屬材料由稱為晶粒或微晶的小晶體的微觀結構組成。 晶粒的性質（即晶粒尺寸和成分）是決定金屬整體機械性能的最有效因素之一。 熱處理提供了一種通過控制微觀結構內的擴散速率和冷卻速率來控制金屬性能的有效方法。 熱處理通常用于改變金屬合金的機械性能，控制硬度、強度、韌性、延展性和彈性等性能。

在熱處理過程中有兩種機制可能會改變合金的性能：馬氏體的形成導致晶體發生內在變形，擴散機制導致合金均勻性發生變化。

晶體結構由以非常特殊的排列方式組合在一起的原子組成，稱為晶格。 在大多數元素中，這個順序會根據溫度和壓力等條件自行重新排列。 這種稱為同素異形體或多態性的重排可能會在特定金屬的許多不同溫度下發生多次。 在合金中，這種重排可能導致通常不會溶解到基礎金屬中的元素突然變得可溶，而同素異形體的逆轉將使元素部分或完全不溶。

當處于可溶狀態時，擴散過程導致溶解元素的原子散開，試圖在賤金屬的晶體內形成均勻分布。 如果合金冷卻到不溶狀態，溶解成分（溶質）的原子可能會從溶液中遷移出來。 這種類型的擴散稱為沉淀，會導致成核，其中遷移的原子在晶界聚集在一起。 這形成了通常由兩個或多個不同相組成的微觀結構。 例如，加熱到奧氏體化溫度以上（紅色到橙熱，或大約 1,500 °F（820 °C）到 1,600 °F（870 °C），具體取決于碳含量）的鋼，然后緩慢冷卻，形成 由鐵素體和滲碳體交替層組成的層狀結構，成為軟珠光體。 將鋼加熱至奧氏體相后再進行水淬，其顯微組織將處于馬氏體相。 這是由于鋼在淬火后會由奧氏體相轉變為馬氏體相。 如果淬火沒有迅速冷卻掉所有的鋼，則可能存在一些珠光體或鐵素體。

與鐵基合金不同，大多數可熱處理合金不會發生鐵素體轉變。 在這些合金中，晶界處的成核通常會強化晶體基體的結構。 這些金屬通過沉淀硬化。 通常是一個緩慢的過程，取決于溫度，這通常被稱為時效硬化。

許多金屬和非金屬在快速冷卻時（使用油、聚合物、水等外部介質）會發生馬氏體轉變。 當金屬冷卻得非常快時，不溶性原子可能無法及時遷移出溶液。 這稱為無擴散轉變。 當晶體矩陣變為低溫排列時，溶質原子被困在晶格中。 被捕獲的原子阻止晶體基質完全轉變為低溫同素異形體，從而在晶格內產生剪切應力。 當一些合金快速冷卻時，如鋼，馬氏體轉變會使金屬變硬，而在其他合金中，如鋁，合金會變軟。

合金系統的具體成分通常會對熱處理結果產生很大影響。 如果每種成分的百分比都恰到好處，合金將在冷卻時形成單一、連續的微觀結構。 這種混合物被稱為共析混合物。 然而，如果溶質的百分比與共析混合物不同，則兩種或多種不同