열처리는 가열과 냉각, 시간을 적절하게 조절하여 금속의 여러가지 성질을 변화하거나 개선시키는 방법이다. 금속은 온도에 따라서 존재하는 상(相)이 다르다. 열처리의 주요 목적은 기계적 성질(경도, 강도, 인성, 전연성) 개선과 가공성(절삭성, 절단성) 향상, 응력제거에 의한 치수 안정성 확보이다. 열처리 종류는 온도의 영향으로 나타나는 미세조직에 따라 담금질, 뜨임, 풀림, 불림 등으로 구분한다. 소입, 소려, 소둔, 소준은 일본 용어이므로 사용을 자제하도록 한다.
담금질(퀜칭, Quenching, 소입)
강을 변태점 이상으로 가열하여 오스테나이트와 그 혼합조직을 얻은 다음 급랭시키는 방식이다. 큰 경도를 얻기 위한 열처리이며 탄소 함유량과 온도에 따라 경도가 다르게 나타난다. 담금질 효과는 냉각액에 따라 다르고 경화능은 질량효과의 영향을 크게 받는다. 균열을 방지하기 위해 두께 변화가 크거나 구멍이 있는 제품은 급격한 냉각을 피하는 것이 좋다.
뜨임(템퍼링, Tempering, 소려)
담금질한 강은 경도는 높지만 인성이 떨어지고 취성이 증가한다. 뜨임은 담금질의 단점인 취성을 보강하기 위한 열처리이다. 담금질한 후 A1 변태점 이하의 온도로 재가열했다가 공기중에 냉각시키면 경도는 낮아지지만 내부응력을 제거하고 조직을 안정화시킨다. 경도를 다소 희생시키지만 취성을 제거하고 연성과 인성을 부여하는 기능이 있다. 뜨임은 인성이 요구되는 기계부품과 절삭공구의 열처리에 사용된다. 경도는 뜨임 온도에 반비례한다. 저온 뜨임은 내부응력 제거, 고온 뜨임은 인성 증가에 적용한다.
풀림(어닐링, Annealing, 소둔)
A1 변태점 이상으로 가열한 후 서냉하여 뒤틀림을 바로 잡거나 상의 확산과 변화를 충분히 끝나도록 하는 열처리이다. 재료의 내부응력을 제거하는 한편 냉간가공을 용이하게 할 수 있도록 미세조직을 형성시켜 준다. 연화풀림은 회복, 재결정, 결정립 성장의 3단계로 진행된다. 회복은 냉간가공에 의해 발생한 전위밀도와 내부응력을 완화시키는 단계이다. 재결정은 변형이 발생한 냉간가공된 조직이 이전의 새로운 결정으로 대체되는 것이고. 결정립 성장은 재결정 크기가 커지는 단계이다. 풀림에는 탄화물을 구상화하여 인성과 가공성을 향상시키는 구상화 처리와 균일한 조직을 얻을 수 있게 하는 균질화 처리가 있다. 풀림이라는 말에는 가장 연한 상태를 얻는 열처리 조작이라는 의미가 내포되어 있다. 가공경화 및 열처리된 금속을 연화시키기 위해 사용된다.
불림(노말라이징, Nomalizing, 소준)
단조한 강을 오스테나이트 영역으로 가열한 후 공기 중에서 냉각시키는 열처리이다. 과열 조직을 미세화하여 냉간가공과 단조 등에 의해 발생한 내부응력을 제거해 재질을 정상화시킨다. 풀림에 의한 과도한 연화를 방지하는 효과도 있다. 강도와 경도는 풀림보다 높고, 항복점과 인장강도는 담금질보다 크다.
항온열처리(Isothermal heat treatment)
변태점 이상으로 가열한 강을 일반적인 열처리처럼 급속하게 냉각하지 않고 표면과 중심부 온도가 균일해지도록 일정한 온도에서 일정시간 유지했다가 냉각하는 조작법이다. 담금질과 뜨임을 같이 할 수 있으므로 담금질 균열을 방지할 수 있다. 경도와 인성이 동시에 요구되는 공구강, 합금강의 열처리에 사용된다. 오스테나이트 온도로 가열하고 나서 냉각하다가 일정 온도에서 정지시킨 후 다시 냉각하는 과정을 거친다. 이 밖에 냉각속도 차이를 최소화해서 균열과 변형을 줄이기 위한 열처리가 있다. 여기에는 마르퀜칭, 마르템퍼링, 오스템퍼링 등이 있으며 항온열처리에 해당된다.
시효처리(Aging)
합금을 가열하여 용체화한 후 급랭시켜 과포화 고용체를 만드는 방법이다. 이 단계를 거쳐 저온으로 재가열하면 과포화 고용체로부터 석출된 미세한 입자가 재료를 경화시키는데 이를 석출경화라고 한다.