此条目介绍的是金属加工工艺。关于同主题的中文学术期刊，请见“金属热处理 (期刊)”。热处理是将金属材料加热到一定的温度，保温一定的时间后，以一定的速率降温到常温或更低，从而达到改善材料组织结构获得性能优异的材料，一般是指对金属材料特别是钢材的处理。常用的分类方法有正火、退火、淬火、回火和表面硬化等几种。
概念
参见：表面硬化
- 退火（英语: Annealing）是为了软化钢材、调整结晶组织、去除内部应力、改善冷轧加工及切削性。根据使用目的，退火细分为完全退火，球化退火、去应力退火、中间退火等。
- 正火（英语: Normalising；在台湾称为“正常化”）是为了细化钢材晶粒，均匀内部组织，消除内应力。在如德国的西方国家，正火（德文：Normalglühen）只是退火（德文：Glühen）的一个子类。
- 淬火（英语: Quenching）是将钢材经过高温加热后快速冷却处理，提高硬度和强度。根据冷却条件分为水淬、油淬、真空淬火等。淬火后的材料必须经过回火处理。
- 回火（英语: Tempering）是钢件淬硬后再度加热到某一温度，然后以适当的速度冷却。目的是调整材料硬度、提高韧性及消除内部应力。回火可分为低温回火和高温回火。回火温度越高，材料的硬度降低越多，韧性越强。调质处理加工采用高温回火。高频淬火、渗碳淬火等表面硬化处理后的回火处理为低温回火。
- 渗碳淬火是将低碳钢表面渗入碳素后淬火再低温回火。淬火硬度50~63HRC，硬化层深度0.3~1.2mm。
- 高频淬火是将含碳量在0.30%以上的钢材通过感应加热，使材料表面变硬的工艺。淬火硬度50~60HRC，硬化层深度1~2mm。
- 火焰淬火是用明火进行的表面热处理，主要在钢铁的任意表面或某一部分需要淬火时使用。
- 渗氮是将氮素扩散深入钢材表面的热处理方法。含有铝、铬、钼的钢材容易通过渗氮提高硬度。
工业生产中，热处理可以视为一系列的用来改变材料的物理性质，偶尔也用来改变材料的化学性质冶金工程步骤。热处理在冶金学方面有非常普及的应用，但是是陶瓷、玻璃材料的生产过程中也常有热处理程序的出现。热处理用升高或冷却的方式进行，通常涉及极端的温度，以期改变材料的硬度、韧性等一系列性质。
随着热处理技术的进步，热处理的定义可以改写成透过温度的控制与冷却速率的调整，来改变材料的特性。比如说目前的深冷技术（或称深冷处理），便是将钢材在淬火后冷却到零下七八十度到一百多度的热处理技术。
物理过程
金属材料在微观结构下有很多细小的晶体称为晶粒。晶粒的大小、组成可谓影响金属机械性质因素之一。热处理提供一种有效的方式来控制金属微观结构下的扩散速率与冷却速率，来达到需要的金属性质。通常热处理要改变的机械性质不外乎五种：1.硬度 2.应力-应变性质 3.韧性 4.延性 5.弹性
热处理有两种重要的机转可以改变合金的性质：1.麻田散铁转变，用来产生形变 2.金属扩散机转，用来改变同质性（使材料呈现单一特征的倾向）
组成的影响
合金系统的确切组成对于热处理的结果有巨大的影响。若合金中各组成物的比例正确无误，则冷却后该合金将呈现单一且连续的微观结构，此混合物称之为共晶系统。然而，若是合金中组成物溶质的比例异于共晶系统，则两种或两种以上的微观结构将同时形成。溶质的含量以过共析溶液高于共晶混合物，共晶混合物又高于亚共析溶液。