Термическая обработка придает стальным изделиям опреде ленные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.
Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг и нормализацию, а также обработку холодом и химико-термическую обработку.
При закалке, как правило, стремятся к тому, чтобы получить структуру мартенсита, имеющего высокую твердость. При последующем отпуске можно повысить пластичность стали за счет снижения твердости. Структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные при изотермическом распаде аустенита. При этом их твердость остается практически одинаковой.
В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную.
При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустенитного состояния (на 30…50 °С выше Ас3) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатыймартенсит.
При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температур между Ас1 и Ас3, при которой в структуре сохраняетсядоэвтектоидный феррит. При дальнейшем охлаждении со скоростью VКР аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается. Такая структура, при некотором снижении твердости и прочности, обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали.
Заэвтектоидные стали обычно используются для изготовления инструмента, имеющего наиболее высокую твердость. Поэтому если такие стали подвергать полной закалке (нагрев выше Аст), то формируется дефектная структура грубоигольчатого мартенсита со значительным количеством остаточного аустенита, что резко уменьшает твердость. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяется неполная закалка с нагревом до температуры на 30…50 °С выше Ас1. После резкого охлаждения образуется структура, состоящая из мартенсита и цементита.Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому заэвтектоидные стали при неполной закалке имеют твердость более высокую, чем при полной.
Благодаря тому, что нагрев осуществляется ниже Аст, уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке. Наиболее благоприятная структура закаленной заэвтектоидной стали достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость. Поэтому перед закалкой сталь необходимо подвергать соответствующему отжигу.
Время нагрева детали при закалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали. Чаще всего оно определяется экспериментально.
Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятнее возможность появления трещин. 
Рисунок 3. Способы закалки: 1-непрерывное охлаждение,2- закалка в 2-х средах, 3-ступенчатая закалка, 4-изотермическая закалка
Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя, когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения (кривая 1, рис. 3). Однако недостатком этого способа является появление значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло.
Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах (кривая 2), при котором деталь сначала охлаждается в воде до 350…400 °С, а затем переносится для полного охлаждения в масло. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости.
Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости достигаются при ступенчатой закалке (кривая 3). В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения (Мн) на 30…50 °С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали. В то же время, из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде, в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, не должен превышать 10 мм, а легированных 20…30 мм.
В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на бейнит. Для этого нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой на 50…100 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе (кривая 4). Такая закалка может применяться только для сталей, обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.