將金屬在固態范圍內通過一定方式的加熱、保溫和冷卻處理程序，使金屬的性能和顯微組織獲得改善或改變，這種工藝方法稱為熱處理。根據熱處理的目的不同，有不同的熱處理方法，主要可分為下述幾種：
（1）退火（代號Th）：在退火熱處理爐內，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右，其顯微組織將發生相變或部分相變，例如鋼被加熱到此溫度時，珠光體將轉變為奧氏體。然后保溫一段時間，再緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）至室溫出爐，這整個過程稱為退火處理。退火的目的是清除熱加工時產生的內應力，使金屬的顯微組織均勻化（得到近似平衡的組織），改善機械性能（例如降低硬度，提高塑性、韌性和強度等），改善切削加工性能等等。視退火處理工藝的不同，可分為普通退火、雙重退火、擴散退火、等溫退火、球化退火、再結晶退火、光亮退火、*退火、不*退火等多種退火工藝方式。
（2）正火（代號Z）：在熱處理爐內，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上200~600℃左右，使顯微組織全部變成均勻的奧氏體（例如鋼在此溫度時，鐵素體*轉變為奧氏體，或者二次滲碳體*溶解于奧氏體），保溫一段時間，然后置于空氣中自然冷卻（包括吹風冷卻和堆放自然冷卻，或者單件在無風空氣中自然冷卻等多種方法），這整個過程稱為正火處理。正火是退火的一種特殊形式，由于其冷卻速度比退火快，能得到較細的晶粒和均勻的組織，使金屬的強度和硬度有所提高，具有較好的綜合機械性能。
（3）淬火（代號C）：在熱處理爐內，將金屬按一定的升溫速度加熱到臨界溫度以上300~500℃左右，使顯微組織全部轉變成均勻的奧氏體，保溫一段時間，然后快速冷卻（冷卻介質包括水、油、鹽水、堿水等等），獲得馬氏體組織，可顯著提高金屬的強度、硬度和耐磨性等等。淬火時的快速冷卻導致的急劇組織轉變會產生較大的內應力，并使脆性增大，因此必須隨后及時進行回火處理或時效處理，以獲得高強度與高韌性相配合的性能，一般較少僅僅采用淬火處理的工藝。視淬火處理的對象和目的不同，淬火處理可分為普通淬火、*淬火、不*淬火、等溫淬火、分級淬火、光亮淬火、高頻淬火等多種淬火工藝方式。
（4）表面淬火：這是淬火處理中的一種特殊方式，它是利用例如火焰加熱法、高頻感應加熱法、工頻感應加熱法、電接觸加熱法、電解液加熱法等多種加熱方式，使金屬的表面快速加熱到臨界溫度以上，在熱量還未來得及傳入金屬內部之前就迅速加以冷卻（即淬火處理），這樣可以達到將金屬表面淬硬到一定深度（形成有一定深度的淬硬層），而金屬內部仍保持原組織，滿足外硬內韌的使用需要。表面淬火的加熱速度快、溫度高，金屬內外溫差大，加上冷卻速度快，因此內應力很大，容易產生裂紋，這是必須注意的。
（5）回火（代號H）：將已淬火的金屬重新加熱到臨界溫度以下的某一溫度（視此溫度的不同而有高溫回火、中溫回火和低溫回火之分），保溫一段時間，然后在空氣中或油中冷卻，這整個過程稱為回火處理。回火處理的目的是降低淬火處理引起的脆性和消除內應力，穩定金屬零件的幾何尺寸和獲得所需要的機械性能。
金屬材料淬火后如果不及時回火，則往往容易造成工件開裂（硬度很高然而脆性很大）和變形較大。但是，如果回火溫度選擇不當，在某些溫度區域回火時會發生回火脆性（回火處理后韌性反而下降），這是必須注意的。
在實際應用中，常把淬火+高溫回火統稱為調質處理（代號T）。
（6）化學熱處理：把金屬放入化學介質中進行加熱時，某些化學元素的原子將借助高溫發生原子擴散，滲入到金屬表面層，改變了金屬表面層的化學成分，使金屬表面層具備特定的組織和性能，這種方法稱為化學熱處理。化學熱處理的方法主要有：
滲碳-向金屬表面層滲入碳原子，用以提高金屬表面層的含碳量，從而提高金屬表面層的硬度和耐磨性，常用的滲碳介質是木炭。
滲氮（氮化）-利用氨氣在加熱時分解出來的活性氮原子滲入金屬表面層，可提高金屬表面層的耐磨性。
碳氮共滲（氰化）-把滲碳與滲氮結合起來，將活性碳原子與氮原子同時滲入金屬表面層來提高金屬表面層的硬度和耐磨性。
化學熱處理的主要目的是提高金屬表面的硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性以及抗疲勞性等，除了上述常見的三種化學熱處理方法外，還有滲硅、滲硼、滲鋁、滲鉻等，以適應不同的目的用途。
（7）時效：金屬或合金經過淬火處理或加工，特別是經過一定程度的冷、熱加工變形后，其性能會隨時間而改變，這種現象稱為時效現象，經過時效后的金屬或合金其強度和硬度能有所增加，塑性、韌性和內應力有所降低，顯微組織更加穩定。
在熱處理工藝方法中的時效處理，是指把金屬或合金有意識地在室溫或者較高溫度下存放一定時間，以達到改善性能、穩定顯微組織目的的工藝過程。
將淬火或者淬火+回火后的金屬在時效處理爐中加熱到室溫以上（一般為100~200℃左右），保溫一段時間，然后取出自然冷卻，這種方法稱為人工時效（若為淬火+人工時效，代號為CS）。如果在淬火后利用室溫或自然環境溫度達到時效效果時，則稱為自然時效（代號CZ）。
時效處理多用于有色金屬，例如鋁合金、鎂合金、鈦合金等，也有用于鋼，以達到穩定顯微組織和幾何尺寸，增強機械性能（強化）的效果。
與時效處理相類似的還有：
固溶強化處理：把金屬加熱到適當溫度，充分保溫，使金屬中的某些組元溶解到固溶體內形成均勻的固溶體，然后急速冷卻，得到過飽和固溶體，可以改善金屬的塑性和韌性，然后再作沉淀硬化（強化）處理，提高其強度。
沉淀硬化（強化）處理：把經過固溶處理或者又經過冷加工變形的金屬加熱到一定溫度，保溫一段時間，則從飽和固溶體中析出另一相，達到硬化的目的。
其他還有低溫處理（冷處理）、鹽浴處理等等。