熱處理是將金屬材料加熱到一定的溫度，保溫一定的時間後，以一定的速率降溫到常温或更低，從而達到改善材料組織結構獲得性能優異的材料，一般是指對金屬材料特別是鋼材的處理。常用的分類方法是以下四種（「四把火」）：正火（在臺灣稱為正常化）、退火、回火和淬火（淬火和高溫回火兩個過程通常稱為調質）。然而在如德國的西方國家，正火（德文：Normalglühen）只是退火（德文：Glühen）的一個子類。

工業生產中，熱處理可以視為一系列的用來改變材料的物理性質，偶爾也用來改變材料的化學性質冶金工程步骤。熱處理在冶金學方面有非常普及的應用，但是是陶瓷、玻璃材料的生產過程中也常有熱處理程序的出現。熱處理用升高或冷卻的方式進行，通常涉及極端的溫度，以期改變材料的硬度、韌性等一系列性質。

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），便是將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。

物理過程

金屬材料在微觀結構下有很多細小的晶體稱為晶粒。晶粒的大小、組成可謂影響金屬機械性質因素之一。熱處理提供一種有效的方式來控制金屬微觀結構下的擴散速率與冷卻速率，來達到需要的金屬性質。通常熱處理要改變的機械性質不外乎五種：1.硬度 2.應力-應變性質 3.韌性 4.延性 5.彈性

熱處理有兩種重要的機轉可以改變合金的性質：1.麻田散鐵轉變，用來產生形變 2.金屬擴散機轉，用來改變同質性（使材料呈現單一特徵的傾向）

組成的影響

合金系統的確切組成對於熱處理的結果有巨大的影響。若合金中各組成物的比例正確無誤，則冷卻後該合金將呈現單一且連續的微觀結構，此混合物稱之為共晶系統。然而，若是合金中組成物溶質的比例異於共晶系統，則兩種或兩種以上的微觀結構將同時形成。溶質的含量以過共析溶液高於共晶混合物，共晶混合物又高於亞共析溶液。