热处理工艺指把钢材置于某介质中对其进行加热、恒温以及冷却，以此让钢材内部或表面的金相组织得到改变进而来改善钢材性能的一种工艺。通过对钢材进行热处理有利于提高工件的物理性能、化学性能及力学等性能。钢材热处理工艺一般含有三个步骤即加热、保温、冷却，这些步骤之间是前后联系不能断开的，但有的时候只有加热和冷却两个步骤。现有的热处理加土工艺以表面热处理、整体热处理及化学热处理为主。钢材热处理加工能使钢结构件表面的化学成分或金属结构件内部的微观组织得到改变，而不是通过改变钢结构件整体的化学成分及形状来提构件使用性能的，热处理工艺改善的是工件内部的质量，其特征在于一般情况下肉眼是观察到的。
热处理工艺以淬火、退火、回火及正火为主。
1. 淬火
指将钢件加热到高于Ac1或Ac3相变温度，并将钢件恒温一段时间，随后于油、空气、水或硝盐中将钢件进行快速冷却，进而获得硬度值较大的马氏体组织。对于不锈钢或者耐磨钢这些高合金钢而言，淬火有利于得到较为单一且均匀的奥氏体组织，以此来提高这些高合金钢的耐腐蚀性能和耐磨性能。淬火通常情况下被用在碳含量高于0.3%的合金钢及碳钢上。
2. 退火
指将钢件加热至低于Ac1、Ac1+30~50℃或者Ac3+30~50℃的温度后随炉温缓慢冷却，进而来提高钢件的塑性、细化晶粒改善力学性能、降低硬度、改善切削加工性能以及达到消除冷、热加工过程中所产生的内应力的目的。退火又可以分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火。完全退火适用于亚共析钢，加热温度为Ac3以上20~30℃,完全奥氏体化，之后随炉冷却。等温退火是完全退火的改进，是在Ac3以上保温一段时间后快速冷却到Ac1以下，保温之后再快速冷却，优点是比完全退火节省时间。球化退火用于共析钢或过共析钢，加热温度为Ac1以上20~30℃,不完全奥氏体化。均匀化退火的目的是为了改善组织的均匀性，一般用于合金钢的铸件，加热温度为Ac3以上150~200℃,其缺点是容易造成过热，导致晶粒粗大。去应力退火主要适用于有残余应力的工件，加热温度为AR1以下100℃左右，不发生相变。
3. 回火
指将经过淬火处理后的钢件再次加热至低于Ac1的某个温度，恒温一段时间后在空气、水或者油中冷却。回火工艺有利于去除或者减弱淬火后的内应力进而减弱钢件的开裂及变形；并且能够稳定钢件的尺寸、增强钢件的韧性、改善钢件的综合力学等性能。回火又可分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火温度为150~250℃,中温回火温度为350~450℃,高温回火温度为500~650℃。回火温度越高，材料硬度越低，但是韧性越高。
通常，淬火和回火作为最终热处理方式配合使用。淬火＋低温回火处理后的材料硬度高，耐磨性好，一般用于制造碳素合金钢、低碳合金钢。淬火＋中温回火后的材料具有高强韧性，用于制造弹簧钢。淬火＋高温回火（调质处理）后的材料塑性韧性升高，硬度降低，综合性能良好，用于传动零件的制造，如传动轴、齿轮。
4. 正火
指将钢件加热到高于Ac3或Acm以上的某个温度后保温一段时间，完全奥氏体化，随后按照略高于退火的冷却速度使钢件进行冷却。正火有利于使钢件的切削加工性能得到优化、降低钢件的硬度、提高塑性，细化钢件晶粒优化其力学性能，此外还能去除冷热加工过程中造成的内应力。通常状况下正火为锻件、焊接件及渗碳零件的预先热处理工艺。
除了上述四种主要的热处理方式之外，对钢材的热处理还包括敏化处理、固溶处理和时效处理等方式。
双相不锈钢的合金含量较高，其将铁素体不锈钢较优的耐氯化物应力腐蚀破裂能力跟高强度及奥氏体不锈钢良好的焊接性能跟韧性结合在一起。正是这些优良性能使得双相不锈钢在造纸业、石油中的使用比较普遍。但是在使用过程中如果热处理工艺不当会导致双相不锈钢σ相X相，铬的氮化物等有害相的析出，这些有害相会减弱双相不锈钢的韧性及抗腐蚀能力。为了使双相不锈钢得到更为有效的应用需要对其在不同热处理工艺下的组织特征以及耐蚀性能做出有效判断。
