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退火涉及将金属（通常是钢）加热到高于其再结晶点的温度，这使其晶体结构得以重新形成，同时降低了内部应力。材料保持在此温度下，以使原子充分扩散，从而促进形成更软、更易延展的相。然后，缓慢冷却（通常在炉内进行），以避免引入应力。这种受控冷却可细化晶粒结构，最大限度地降低硬度并增强延展性，使金属更易于加工、成型或成形，而不会开裂。
在正火过程中，钢被加热到略高于其临界转变范围的温度，使其完全奥氏体化，然后在空气中冷却。与退火相比，这种更快的冷却速度产生了更细、更均匀的珠光体或铁素体微观结构。结果提高了韧性、强度和耐磨性，降低了脆性。正火部件具有均匀的小晶粒结构，这提高了机械性能的一致性，对受到冲击和应力的部件非常有利。
淬火是指将材料（通常是钢）加热到奥氏体化温度以上后，迅速冷却，锁定坚硬的马氏体结构。该过程包括将加热的材料浸入冷却介质（如油、水或聚合物溶液）中，以快速降低其温度。这种快速冷却将碳原子困在晶格内，形成过饱和的高硬度结构，大大提高强度和耐磨性。然而，淬火过程会产生内应力，使材料更脆，因此通常需要额外的回火来平衡硬度和延展性。
回火用于调整淬火金属（尤其是马氏体钢）的硬度并降低其脆性。将淬火金属重新加热至低于其临界转变点的温度并保持特定时间，然后冷却。这种受控加热可使碳原子部分扩散，从而释放内部应力并细化微观结构。回火可提高韧性并提高抗开裂性，同时保留通过淬火获得的大部分强度，使其适用于高强度应用。
表面硬化工艺，例如渗碳、氮化和感应硬化，旨在提高材料表面的硬度，同时保持坚韧、延展性好的芯部。在渗碳和氮化过程中，表面富含碳或氮，碳或氮会渗透到外层，并在受控热量作用时形成硬化层。而感应硬化则涉及使用电磁感应快速加热表面，然后进行淬火。表面硬化非常适合需要表面高耐磨性的部件（例如齿轮和凸轮轴），同时需要延展性芯部来吸收冲击力。
时效，特别是在沉淀硬化合金（例如铝合金和钛合金）中，涉及将合金加热到高温，以控制次生相的沉淀。这种相分离在晶粒结构中产生障碍，通过沉淀硬化增加硬度和强度。时效过程可以是自然的（在室温下发生）或人工的（通过加热加速）。其结果是机械性能（例如抗拉强度和稳定性）显著改善，使时效合金非常适合用于航空航天和汽车制造等要求苛刻的应用中的结构部件。
