Термической обработкой стали называется технологический процесс, состоящий из нагрева стальных заготовок, деталей или инструментов до определенных температур, выдержки и последующего охлаждения с заданной скоростью. Целью термической обработки является изменение структуры стали и получение требуемых свойств. Термическая обработка основана на вторичных фазовых превращениях в структуре стали при её нагреве и охлаждении. Вторичные фазовые превращения (превращения в твердом состоянии) вызываются аллотропией (полиморфизмом) железа, то есть способностью железа при нагреве и охлаждении изменять строение кристаллической решетки
Основные виды термической обработки стали – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг и нормализация относятся к операциям предварительной обработки. Такой термической обработке подвергаются заготовки (поковки, отливки, сварные заготовки) с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости на металлорежущих станках. Закалка и отпуск относятся к операциям окончательной термической обработки, применяемой для готовых деталей или инструментов. Целью закалки является получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Отпуск служит вспомогательной операцией после закалки с целью уменьшения хрупкости закаленной стали или получения требуемого комплекса свойств (высокой упругости, высокой вязкости в сочетании с достаточно высокой прочностью и др.)
Любой режим термической обработки определяется двумя факторами: температурой и временем и может быть представлен графически в координатах «время-температура». Температура нагрева для отжига, нормализации и закалки определяется положением критических точек А₁, и Аc_m. При изменении времени охлаждения (скорости охлаждения) изменяется характер фазовых (структурных превращений) стали, обуславливающих получение разных структур, имеющих различные свойства. При отжиге и нормализации изделия охлаждаются медленно (соответственно в печи и на воздухе), а при закалке – быстро (в воде или масле). Температура нагрева при отпуске не превышает нижней критической точки А₁.
Графическое изображение основных операций термической обработки показано на рисунке

Рисунок - Графическое изображение отжига, нормализации, закалки и отпуска: t_H – температура нагрева; τ_н , τ_в и τ_охл – время нагрева, выдержки и охлаждения, соответственно.