將金屬在固態(tài)范圍內(nèi)通過一定方式的加熱、保溫和冷卻處理程序，使金屬的性能和顯微組織獲得改善或改變，這種工藝方法稱為熱處理。根據(jù)熱處理的目的不同，有不同的熱處理方法，主要可分為下述幾種：
（1）退火（代號(hào)Th）：在退火熱處理爐內(nèi)，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右，其顯微組織將發(fā)生相變或部分相變，例如鋼被加熱到此溫度時(shí)，珠光體將轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。然后保溫一段時(shí)間，再緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）至室溫出爐，這整個(gè)過程稱為退火處理。退火的目的是清除熱加工時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使金屬的顯微組織均勻化（得到近似平衡的組織），改善機(jī)械性能（例如降低硬度，提高塑性、韌性和強(qiáng)度等），改善切削加工性能等等。視退火處理工藝的不同，可分為普通退火、雙重退火、擴(kuò)散退火、等溫退火、球化退火、再結(jié)晶退火、光亮退火、*退火、不*退火等多種退火工藝方式。
（2）正火（代號(hào)Z）：在熱處理爐內(nèi)，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上200~600℃左右，使顯微組織全部變成均勻的奧氏體（例如鋼在此溫度時(shí)，鐵素體*轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，或者二次滲碳體*溶解于奧氏體），保溫一段時(shí)間，然后置于空氣中自然冷卻（包括吹風(fēng)冷卻和堆放自然冷卻，或者單件在無(wú)風(fēng)空氣中自然冷卻等多種方法），這整個(gè)過程稱為正火處理。正火是退火的一種特殊形式，由于其冷卻速度比退火快，能得到較細(xì)的晶粒和均勻的組織，使金屬的強(qiáng)度和硬度有所提高，具有較好的綜合機(jī)械性能。
（3）淬火（代號(hào)C）：在熱處理爐內(nèi)，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右，使顯微組織全部轉(zhuǎn)變成均勻的奧氏體，保溫一段時(shí)間，然后快速冷卻（冷卻介質(zhì)包括水、油、鹽水、堿水等等），獲得馬氏體組織，可顯著提高金屬的強(qiáng)度、硬度和耐磨性等等。淬火時(shí)的快速冷卻導(dǎo)致的急劇組織轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，并使脆性增大，因此必須隨后及時(shí)進(jìn)行回火處理或時(shí)效處理，以獲得高強(qiáng)度與高韌性相配合的性能，一般較少僅僅采用淬火處理的工藝。視淬火處理的對(duì)象和目的不同，淬火處理可分為普通淬火、*淬火、不*淬火、等溫淬火、分級(jí)淬火、光亮淬火、高頻淬火等多種淬火工藝方式。
（4）表面淬火：這是淬火處理中的一種特殊方式，它是利用例如火焰加熱法、高頻感應(yīng)加熱法、工頻感應(yīng)加熱法、電接觸加熱法、電解液加熱法等多種加熱方式，使金屬的表面快速加熱到臨界溫度以上，在熱量還未來(lái)得及傳入金屬內(nèi)部之前就迅速加以冷卻（即淬火處理），這樣可以達(dá)到將金屬表面淬硬到一定深度（形成有一定深度的淬硬層），而金屬內(nèi)部仍保持原組織，滿足外硬內(nèi)韌的使用需要。表面淬火的加熱速度快、溫度高，金屬內(nèi)外溫差大，加上冷卻速度快，因此內(nèi)應(yīng)力很大，容易產(chǎn)生裂紋，這是必須注意的。
（5）回火（代號(hào)H）：將已淬火的金屬重新加熱到臨界溫度以下的某一溫度（視此溫度的不同而有高溫回火、中溫回火和低溫回火之分），保溫一段時(shí)間，然后在空氣中或油中冷卻，這整個(gè)過程稱為回火處理。回火處理的目的是降低淬火處理引起的脆性和消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定金屬零件的幾何尺寸和獲得所需要的機(jī)械性能。
金屬材料淬火后如果不及時(shí)回火，則往往容易造成工件開裂（硬度很高然而脆性很大）和變形較大。但是，如果回火溫度選擇不當(dāng)，在某些溫度區(qū)域回火時(shí)會(huì)發(fā)生回火脆性（回火處理后韌性反而下降），這是必須注意的。
在實(shí)際應(yīng)用中，常把淬火+高溫回火統(tǒng)稱為調(diào)質(zhì)處理（代號(hào)T）。
（6）化學(xué)熱處理：把金屬放入化學(xué)介質(zhì)中進(jìn)行加熱時(shí)，某些化學(xué)元素的原子將借助高溫發(fā)生原子擴(kuò)散，滲入到金屬表面層，改變了金屬表面層的化學(xué)成分，使金屬表面層具備特定的組織和性能，這種方法稱為化學(xué)熱處理。化學(xué)熱處理的方法主要有：
滲碳-向金屬表面層滲入碳原子，用以提高金屬表面層的含碳量，從而提高金屬表面層的硬度和耐磨性，常用的滲碳介質(zhì)是木炭。
滲氮（氮化）-利用氨氣在加熱時(shí)分解出來(lái)的活性氮原子滲入金屬表面層，可提高金屬表面層的耐磨性。
碳氮共滲（氰化）-把滲碳與滲氮結(jié)合起來(lái)，將活性碳原子與氮原子同時(shí)滲入金屬表面層來(lái)提高金屬表面層的硬度和耐磨性。
化學(xué)熱處理的主要目的是提高金屬表面的硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性以及抗疲勞性等，除了上述常見的三種化學(xué)熱處理方法外，還有滲硅、滲硼、滲鋁、滲鉻等，以適應(yīng)不同的目的用途。
（7）時(shí)效：金屬或合金經(jīng)過淬火處理或加工，特別是經(jīng)過一定程度的冷、熱加工變形后，其性能會(huì)隨時(shí)間而改變，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效現(xiàn)象，經(jīng)過時(shí)效后的金屬或合金其強(qiáng)度和硬度能有所增加，塑性、韌性和內(nèi)應(yīng)力有所降低，顯微組織更加穩(wěn)定。
在熱處理工藝方法中的時(shí)效處理，是指把金屬或合金有意識(shí)地在室溫或者較高溫度下存放一定時(shí)間，以達(dá)到改善性能、穩(wěn)定顯微組織目的的工藝過程。
將淬火或者淬火+回火后的金屬在時(shí)效處理爐中加熱到室溫以上（一般為100~200℃左右），保溫一段時(shí)間，然后取出自然冷卻，這種方法稱為人工時(shí)效（若為淬火+人工時(shí)效，代號(hào)為CS）。如果在淬火后利用室溫或自然環(huán)境溫度達(dá)到時(shí)效效果時(shí)，則稱為自然時(shí)效（代號(hào)CZ）。
時(shí)效處理多用于有色金屬，例如鋁合金、鎂合金、鈦合金等，也有用于鋼，以達(dá)到穩(wěn)定顯微組織和幾何尺寸，增強(qiáng)機(jī)械性能（強(qiáng)化）的效果。
與時(shí)效處理相類似的還有：
固溶強(qiáng)化處理：把金屬加熱到適當(dāng)溫度，充分保溫，使金屬中的某些組元溶解到固溶體內(nèi)形成均勻的固溶體，然后急速冷卻，得到過飽和固溶體，可以改善金屬的塑性和韌性，然后再作沉淀硬化（強(qiáng)化）處理，提高其強(qiáng)度。
沉淀硬化（強(qiáng)化）處理：把經(jīng)過固溶處理或者又經(jīng)過冷加工變形的金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，則從飽和固溶體中析出另一相，達(dá)到硬化的目的。
其他還有低溫處理（冷處理）、鹽浴處理等等。