金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱、保溫、冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的組織結構來控制其性能的工藝方法。
金屬內部原子具有規律性排列的固體（即晶體）。金屬：具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性並且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質。
合金：一種金屬元素與另外一種或幾種元素，通過熔化或其他方法結合而成的具有金屬特性的物質。
相：合金中同一化學成分、同一聚集狀態，並以界面相互分開的各個均勻組成部分。
固溶體：是一個（或幾個）組元的原子（化合物）溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。
固溶強化：由於溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現象叫固溶強化現象。
金屬化合物：合金的組元間以一定比例發生相互作用兒生成的一種新相，通常能以化學式表示其組成。
機械混合物：由兩種相或兩種以上的相機械的混合在一起而得到的多相集合體。
鐵素體：碳在a-Fe（體心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。
奧氏體：碳在g-Fe（面心立方結構的鐵）中的間隙固溶體。
滲碳體：碳和鐵形成的穩定化合物（Fe3c）。
珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機械混合物（F+Fe3c 含碳0.77%）
其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。金屬熱處理是機械製造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，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。
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。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織複雜，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。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。
白口鑄鐵的柔化處理就是製造農具的重要工藝。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變化。早在商代，就已經有了再結晶退火的金箔飾物。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。
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。公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被採用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發展。
但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發展很慢。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，說明已應用了滲碳工藝。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。三國蜀人蒲元曾在今陝西斜谷為諸葛亮打製3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。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。
1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在 顯微鏡 下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內部會發生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。
1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。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。
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，以後又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術運用了等離子場的作用，發展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。二十世紀以來，金屬物理的發展和其它新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發展。
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。電的應用使加熱易於控制，且無環境污染。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是採用木炭和煤作為熱源，進而應用液體和氣體燃料。加熱是熱處理的重要工序之一。這些過程互相銜接，不可間斷。熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。
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。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。
採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。另外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，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。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。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。
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。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。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，主要是控製冷卻速度。
鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為複雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。同一種金屬採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。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干不同的熱處理工藝。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三大類。
鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。整體熱處理是對工件整體加熱，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。
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，只是得到的組織更細，常用於改善低碳材料的切削性能，也有時用於對一些要求不高的零件作為最終熱處理。退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸採用不同的保溫時間，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。
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係密切，常常配合使用，缺一不可。為了降低鋼件的脆性，將淬火後的鋼件在高於室溫而低於650℃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。淬火後鋼件變硬，但同時變脆。淬火是將工件加熱保溫後，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。
這樣的熱處理工藝稱為時效處理。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。為了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。“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。
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。為了只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。表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。
化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。滲入元素後，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(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。化學熱處理與表面熱處理不同之處是後者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是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。
還可以改善毛坯的組織和應力狀態，以利於進行各種冷、熱加工。它可以控制工件的各種性能，如耐磨、耐腐蝕、磁性能等。熱處理是機械零件和工模具製造過程中的重要工序之一。
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