鉄鋼に代表される、一部の金属は加熱や冷却によってその内部組織に変態が起こり、性質が大きく変化する場合がある。
熱処理とはこうした特性を利用して、材料の特性向上を目的に行われる処理のことである。
圧延など、金属を冷間加工した場合、組織の格子欠陥が増大して硬化する（加工硬化）。これを融点の半分程度まで加熱すると、熱エネルギーにより結晶が再構築されて元の硬さに戻る（回復）。このときの温度を再結晶温度と呼ぶ。
鋼の場合、温度と冷却時間によって、パーライト、オーステナイト、マルテンサイト、ソルバイトといったそれぞれ異なった結晶構造に変態する。
焼ならしは鋼をパーライト組織にする熱処理で、高温に熱して一旦オーステナイト組織にした後、徐々に冷却してパーライト組織を得る。この際、加工硬化の影響が無くなり、靭性が改善される。焼ならしは前処理として行われることが多い。
焼入れは、鋼を熱してオーステナイト状態にした後、水中または油中で急冷してマルテンサイト組織に変態させる。これにより硬度は硬くかつもろくなる。
マルテンサイト組織の鋼は、もろいので再度熱処理を行い、靭性を回復させる。これを焼戻しという。
金属を再結晶温度以上に熱することを焼なまし（焼き鈍し）といい、これにより加工硬化などを起こしていた組織が再結晶によって整えられる。これにより硬度は下がり、加工応力が除去される。結晶組織も均質化するため、加工の前後工程として行われることが多い。
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