金屬熱處理是機械制造中的重要工序之壹。與其他加工技術相比，熱處理壹般不改變工件的形狀和整體化學成分，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來賦予或改善工件的工作性能。其特點是提高工件的內在質量，壹般肉眼是看不到的。
為了使金屬工件具有所需的機械性能、物理性能和化學性能，除了合理選擇材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼是機械工業中應用最廣泛的材料，其顯微組織復雜，可以通過熱處理來控制，所以鋼的熱處理是金屬熱處理的主要內容。此外，鋁、銅、鎂、鈦及其合金也可以通過熱處理改變其機械、物理和化學性質，從而獲得不同的性能。
在從石器時代到青銅時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸被人們所認識。早在公元前770年~公元前222年，中國人民就在生產實踐中發現，銅和鐵的性質會因溫度和壓力變形的影響而發生變化。白口鑄鐵的軟化處理是制造農具的重要工序。
公元前6世紀，逐漸采用鋼制武器。為了提高鋼的硬度，淬火工藝得到了迅速發展。中國河北易縣燕下渡出土的兩把劍和壹把戟，顯微組織中有馬氏體，說明經過淬火處理。
隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現了冷卻液對淬火質量的影響。三國時的舒曼濮院，曾在陜西這個斜谷為諸葛亮做了三千刀。相傳他派人到成都取水淬水。這說明中國古代重視不同水質的冷卻能力，也重視油和尿的冷卻能力。我國出土的西漢(公元前206年-公元24年)鐘山王靜墓中的劍，劍心含碳量為0.15-0.4%，而表面含碳量大於0.6%，說明已經應用了滲碳技術。但當時作為個人“手藝”秘密，拒絕傳播，所以發展緩慢。
1863年，英國的金相學家和地質學家在顯微鏡下展示了鋼的六種不同的金相組織，證明了鋼的內部結構在加熱和冷卻時會發生變化，鋼中的高溫相在快速冷卻時會轉變為更硬的相。法國人奧斯蒙德建立的鐵異構理論和英國人奧斯汀首先制定的鐵碳相圖，為現代熱處理技術奠定了理論基礎。同時，人們還研究了金屬熱處理加熱過程中金屬的保護方法，以避免金屬在加熱過程中氧化脫碳。
從1850到1880，有壹系列關於各種氣體(如氫氣、煤氣、壹氧化碳等)應用的專利。)進行保護性加熱。從1889到1890，英國萊克獲得了多種金屬的光亮熱處理專利。
20世紀以來，隨著金屬物理的發展以及其他新技術的移植和應用，金屬熱處理工藝得到了很大的發展。壹個顯著的進步是1901 ~ 1925，在工業生產中使用轉底爐進行氣體滲碳；露點電位器出現在20世紀30年代，使爐內氣氛碳勢可控。後來，通過使用二氧化碳紅外儀器和氧探針，開發了進壹步控制爐內氣氛中碳勢的方法。20世紀60年代，等離子場用於熱處理技術，離子滲氮和滲碳工藝得到發展。隨著激光和電子束技術的應用，金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。
雙金屬熱處理工藝
熱處理過程壹般包括加熱、保溫和冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程是相互關聯和不間斷的。
加熱是熱處理的重要步驟之壹。金屬熱處理有多種加熱方式。最早是用木炭和煤作為熱源，後來應用了液體和氣體燃料。電的應用使加熱容易控制，沒有環境汙染。這些熱源可用於直接加熱或通過熔鹽或金屬甚至漂浮顆粒間接加熱。
金屬加熱時，工件暴露在空氣中，往往會發生氧化脫碳(即鋼鐵零件表面的碳含量降低)，對零件熱處理後的表面性能產生非常不利的影響。因此，金屬通常應在受控氣氛或保護氣氛、熔鹽和真空中加熱，也可通過塗層或包裝進行保護。
加熱溫度是熱處理過程的重要工藝參數之壹，加熱溫度的選擇和控制是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨待處理的金屬材料和熱處理的目的而變化，但通常加熱到相變溫度以上，以獲得所需的結構。另外，轉變需要壹定的時間，所以當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，必須在此溫度下保持壹定時間，使內外溫度壹致，顯微組織完全轉變。這個時間叫做保溫時間。采用高能量密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，壹般不保溫或保溫時間很短，而化學熱處理的保溫時間往往較長。
冷卻也是熱處理過程中必不可少的步驟，冷卻方式因工藝而異，主要控制冷卻速度。壹般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度較快。但由於鋼種不同，要求也不同。例如，空氣淬硬鋼可以以與正火相同的冷卻速度淬硬。
金屬熱處理工藝大致可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方式的不同，每壹類又可分為幾種不同的熱處理工藝。同壹種金屬通過不同的熱處理工藝可以獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼是工業上應用最廣泛的金屬，其顯微組織也是最復雜的，因此鋼的熱處理工藝有很多種。
整體熱處理是將工件整體加熱，然後以適當的速度冷卻，改變其整體機械性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵的整體熱處理有四個基本過程:退火、正火、淬火和回火。
退火是將工件加熱到合適的溫度，根據工件的材質和尺寸采用不同的保溫時間，然後緩慢冷卻，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，或為進壹步淬火做好組織準備。正火是將工件加熱到合適的溫度，然後在空氣中冷卻。正火的效果類似於退火，只是得到的組織更細，常被用來改善材料的切削性能，有時也作為壹些要求不高的零件的最終熱處理。
淬火是將工件加熱保溫，然後在水、油或其他無機鹽、有機水溶液等淬火介質中快速冷卻。淬火後，鋼變得堅硬，但同時也變得易碎。為了降低鋼件的脆性，將淬火後的鋼件長時間保持在高於室溫且低於710℃的適當溫度下，然後冷卻。這個過程叫做回火。退火、正火、淬火、回火是整個熱處理中的“四火”，其中淬火和回火關系密切，經常壹起使用，缺壹不可。
“四火”演化出不同的加熱溫度和冷卻方式的熱處理工藝。為了獲得壹定的強度和韌性，將淬火和高溫回火相結合的工藝稱為調質。有些合金經淬火形成過飽和固溶體後，長時間保持在室溫或稍高的溫度，以提高合金的硬度、強度或電磁性。這種熱處理過程稱為時效處理。將壓力加工變形與熱處理有效而緊密地結合起來以獲得工件良好的強度和韌性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，既能使工件不氧化脫碳，又能保持被處理工件表面的清潔，提高工件的性能，還可以引入滲劑進行化學熱處理。
表面熱處理是壹種只對工件表層進行加熱以改變其機械性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件的表層而不將過多的熱量傳遞到工件內部，所使用的熱源必須具有高的能量密度，即單位面積給予工件的熱能大，以使工件的表層或部分在短時間內或瞬間達到高溫。表面熱處理的主要方法有激光熱處理、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火焰、感應電流、激光和電子束。
化學熱處理是通過改變工件表層的化學成分、顯微組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理的區別在於後者改變了工件表層的化學成分化學熱處理是在含有碳、氮或其他合金元素的介質(氣體、液體、固體)中加熱工件，並長時間保持該溫度，使工件表面滲有碳、氮、硼、鉻。元素滲入後，有時還要進行淬火、回火等其他熱處理工藝。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、金屬化、復合滲碳等。
熱處理是機械零件和模具制造過程中的重要工序之壹。壹般來說，它能保證和提高工件的各種性能，如耐磨性和耐腐蝕性。還可以改善坯料的組織和應力狀態，以便於各種冷熱加工。
比如白口鑄鐵可以長時間退火，獲得可鍛鑄鐵，提高其塑性；采用正確的熱處理工藝，齒輪的使用壽命可以比未經熱處理的齒輪提高壹倍甚至幾十倍；另外，廉價的碳鋼通過滲入壹些合金元素，具有昂貴合金鋼的壹些性能，可以替代壹些耐熱鋼和不銹鋼；幾乎所有的工具和模具在使用前都需要熱處理。
三種鋼的分類
鋼是以鐵和碳為主要成分的合金，碳含量壹般小於2.11%。鋼是經濟建設中極其重要的金屬材料。鋼按化學成分分為碳鋼和合金鋼。碳鋼是壹種通過熔煉生鐵獲得的合金。除鐵和碳外，還含有少量的錳、矽、硫、磷等雜質。碳鋼具有壹定的機械性能，工藝性能好，價格低。因此，碳鋼得到了廣泛的應用。但是隨著現代工業和科學技術的飛速發展，碳鋼的性能已經不能完全滿足需要，於是人們開發了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼的基礎上有目的地添加壹些元素(稱為合金元素)而得到的多元合金。與碳鋼相比，合金鋼的性能得到了顯著的提高，因此得到了廣泛的應用。
由於鋼材品種繁多，必須對鋼材進行分類，以便於生產、儲存、選擇和研究。根據鋼的用途、化學成分和質量，鋼可以分為許多種類: