온도에 의해서 존재하는 상(相)의 종류나 배합이 변하는 재료에, 가열·냉각 등의 조작을 적당한 속도로 하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작. 흔히 사용되는 것은 금속인데, 고온에서 급랭(急冷)하여 보통이면 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질, 한 번 담금질한 후 비교적 저온에서 가열하여 담금질로써 저지한 변화를 약간 진행시켜 꼭 알맞은 특성을 가지게 만드는 뜨임, 가열하여 천천히 식힘으로써 금속재료의 뒤틀림을 바로잡거나 상의 변화를 충분히 끝나게 하여 안정상태로 만드는 풀림 등의 여러 가지 처리는 모두 열처리의 보기이다.

열처리를 하는 온도, 유지하는 시간, 식히는 속도 등은 재료나 얻고자 하는 특성에 따라 달라진다. 급랭하는 방법으로는 물 속에 담그는 것이 보통이지만, 기름이나 액체공기 속에 넣는 일도 있고, 찬 공기나 그 밖의 가스를 뿜는 경우도 있다.

1) 담금질(quenching)
급랭(急冷)함으로써 금속이나 합금의 내부에서 일어나는 변화를 저지(沮止)하여, 고온에서의 안정상태 또는 중간상태를 저온·온실에서 유지하는 조작. 과거에는 소입(燒入)이라고도 하였다. 영어로 quenching은 그 뜻이 광범위하여 냉각뿐만 아니라 승온(昇溫)에 수반되어 일어나는 변화를 급열(急熱)함으로써 저지하는 경우에도 사용한다.

이 말은 원래 강철을 오스테나이트(γ상)의 상태로 가열하고 물 속 또는 기름 속에서 급랭하여 펄라이트로의 변화를 저지해서 담금질 조직을 얻는 조작을 말했으나, 오늘날에는 널리 ‘냉각에 의한 변화의 저지’라는 뜻으로 사용되고 있다. 합금에 따라서는 과히 급랭하지 않아도 변화가 저지되어 경화되므로, 넓은 뜻의 담금질에서는 반드시 급랭하지 않아도 된다.

 또, 강철에서는 담금질을 함으로써 고온에서 저온으로의 변화가 일부 저지되어 매우 단단한 마텐자이트(martensite) 등의 조직이 되기 때문에, 다른 합금에서도 담금질에 의해 항상 단단한 상태가 된다고 생각하기 쉬우나, 반드시 그렇지도 않다. 고온에서 저온으로의 변화가 완전히 저지되는 시효경화성(時效硬化性) 합금 등에서는 담금질 상태는 그 합금에서 가장 연한 상태가 되는데, 두랄루민·베릴륨구리 등이 그 예이다.

2) 뜨임(tempering)
강철을 담금질하면 경도는 커지나 메지기 쉬우므로 이를 적당한 온도로 재가열했다가 공기 속에서 냉각, 조직을 연화·안정시켜 내부 응력(應力)을 없애는 조작. 소려(燒戾)라고도 한다.

강철을 담금질한 후, 온도가 내려감에 따라 일어날 변화를 급랭(急冷)함으로써 일부 또는 전부를 저지하고, 다시 비교적 낮은 온도로 적당한 시간 가열하여 저지해 놓은 변화를 임의의 상태까지 진행시키는 일을 말한다.

뜨임 처리는 담금질한 재료의 메짐을 없애고 강인성을 주기 위해서 하는 경우와 담금질 경도(硬度)를 더욱 높이기 위해서 하는 경우가 있다. 탄소강의 경우는 경화시킨 것을 200 ℃ 이상으로 가열하여 처리하면 메짐은 감소되고 강인화되며, 15∼200 ℃에서 뜨임 처리를 하면 더욱 단단해진다. 또, 고속도강의 뜨임 처리는 재료를 더욱 경화시키기 위해서 하며, 약 600 ℃ 전후에서 실시한다.

원래는 강의 열처리용어였지만, 오늘날에는 시효성 합금(時效性合金) 등을 용체화(熔體化)한 후, 급랭해서 변화를 저지하고 과포화 고용체(過飽化固溶體)를 만들어 합금 내부에서 충분히 확산이 일어나는 온도로 가열하여 원하는 성질을 얻는 가열처리도 포함시킨다.

3) 풀림(annealing)
재료를 평형상태도에 나타난 그대로의 안정상태로 만들기 위해, 충분히 확산할 수 있을 정도의 온도로 가열한 다음 서서히 냉각하는 처리. ‘어닐링’이라고도 하는데, 이전에는 ‘소둔’(燒鈍)이라고 하였다.

상변화(相變化)가 온도의 오르내림에 따라 일어나는 재료에서는 충분한 시간에 걸쳐서 천천히 냉각시킴으로서 상태도에 나타난 것만큼의 변화를 전부 완료시켜서 안정된 평형상태로 한다. 고온상태에서 천천히 식혀서 확산에 의해 각 온도에서 평형상태를 그 때마다 잡으면서 냉각될 수 있는 시간을 준다.

이 밖에 가공·주조·조사(照射) 등에 의해 변형이 생기거나 격자결함(格子缺陷)이 생겨서 굳은 결정고체에서는 그 속에서 주체가 되는 성분의 원자가 충분히 확산해서 움직일 수 있는 온도, 즉 재결정(再結晶)온도 이상으로 적당한 시간 가열해서 목적을 달성한다.

풀림하여 얻을 수 있는 상태는 그 재료에 있어서 가장 부드러운 상태일 때가 많으므로, 풀림이라는 말에는 가장 연한 상태를 얻는 열처리 조작이라는 느낌이 내포되어 있다. 이 때문에 석출경화형(析出硬化型) 합금인 베릴륨 구리에서는 완전히 고용(固溶)되는 온도까지 가열해서 급랭하여, 과포화고용체(過飽和固溶體)를 얻으면, 그 합금에서의 가장 연한 상태가 되기 때문에, 이 조작을 용체화(溶體化) 담금질, 또는 용체화 풀림(solution annealing)이라고도 한다.

4) 불림(normalizing)
강(鋼)을 표준상태로 만들기 위한 열처리. 강을 단련한 후, 오스테나이트의 단상(單相)이 되는 온도범위에서 가열하여 대기 속에 방치하여 자연냉각(自然冷却) 한다.

이것의 목적은 ① 주조 또는 과열 조직을 미세화하고, ② 냉간가공·단조 등에 의한 내부응력을 제거하며, ③ 결정조직, 기계적·물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.