Отжигом называется процесс нагревания стального изделия до температуры 750 — 860° (критическая точка), а затем очень медленного его охлаждения в течение нескольких часов, часто вместе с нагревательной печью. При отжиге устраняются внутренние напряжения в металле, возникшие ранее от неравномерного остывания, и уменьшается твердость. Отжиг бывает необходимым и потому, что в процессах литья, прокатки и ковки охлаждение стальных изделий происходит неравномерно по толщине металла, они получаются у поверхности более твердыми и с трудом поддаются обработке резанием.

Нормализация отличается от отжига только тем, что стальное изделие остывает на воздухе, причем значительно быстрее, чем при отжиге. Нагрев изделий производится до тех же температур, что и при отжиге. При нормализации сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру, но ее прочность и твердость получаются несколько выше, чем при отжиге. Нормализации подвергаются, например, малоуглеродистые мягкие стали (конструкционные). По сравнению с отжигом нормализация более экономичная операция, так как не требует охлажаждения печи.

Закалкой называется процесс нагревания стальных изделий до температуры 750 - 790° (или несколько выше), выдержки при этой температуре, в течение которой происходит перестройка структуры металла, и быстрого охлаждения. При закалке резко возрастает твердость стали, ее прочность, но снижается вязкость. Многие ответственные детали машин, изготовляемые из стали, подвергают закалке, например коленчатые валы, шарикоподшипники и почти все инструменты.
Температура нагрева стали для закалки зависит от ее химического состава. На рисунке приведен график изменения температур закалки (заштрихованная часть) для сталей с различным содержанием углерода.

Нагревание изделий для закалки производят в камерных газовых или электрических печах или в соляных печах-ваннах. Электрические печи (муфельные), удобны тем, что нагрев в них производится' равномерно и металл не соприкасается с потоком газов, образующихся при сгорании топлива. Кроме того, в них легко регулировать температуру нагрева. Наиболее совершенными являются электрические печи-ванны, где в качестве материала, нагревающего детали, служат расплавленные соли (поваренная соль, хлористый калий, сода и другие), находящиеся в огнеупорном тигле. Детали в такой ванне очень быстро нагреваются, совершенно не соприкасаются с атмосферой и легко могут быть нагреты лишь частично.

Выдержка деталей при температуре нагрева продолжается от нескольких минут до получаса, в зависимости от толщины детали. Чем массивнее деталь, тем большее время необходимо для выравнивания температуры по всей толщине металла. По истечении времени выдержки деталь опускают в охлаждающую среду: воду, масло или растворы солей в воде. Решающее значение в процессе закалки имеет быстрота охлаждения. Чем больше необходимость повысить твердость детали, тем быстрее, нужно производить ее охлаждение. Наибольшую быстроту дает 10-процентный раствор поваренной соли в воде, несколько меньшую — вода и малую — машинное масло. Во избежание коробления и неравномерной закалки рекомендуется погружать детали в охлаждающую жидкость быстро и после погружения перемещать их в ней.
Если по назначению детали необходимо сделать твердой только ее поверхность, то прибегают к способу поверхностной закалки. В этом случае быстро нагревают до необходимой температуры только тонкий, поверхностный слой и закаливают его, а сердцевина детали остается вязкой и мягкой. Такой нагрев можно сделать с помощью газовой горелки, развивающей высокую температуру, или токами высокой частоты. Этот способ позволяет легко регулировать глубину и равномерность прогрева и отличается высокой производительностью.

Отпуск. Для уменьшения хрупкости закаленную сталь подвергают отпуску. Отпуск заключается в повторном нагреве, но уже до более низких температур, чем при закалке, с последующим охлаждением. Различают низкий отпуск — нагрев до температуры 200 — 330°, средний— до 500° и высокий —до 700°. Наиболее часто применяют низкий отпуск. Низкий отпуск производят в масляных и соляных ваннах, а часто и на воздухе. В последнем случае температуру отпуска легко контролировать по появлению цветов побежалости. Так называется похожая на радугу гамма цветов, появляющаяся на зачищенной до блеска поверхности куска стали при нагревании. Каждому цвету соответствует своя температура. Более высокая температура соответствует и более глубокому отпуску.
Нагретую до необходимой температуры отпуска деталь охлаждают в воде и тем самым прекращают отпуск на требуемой ступени.

Цементация. Для повышения твердости поверхности деталей из малоуглеродистых сталей производят цементацию — науглероживание поверхностного слоя на глубину от нескольких десятых долей до 1—2 мм. Увеличение содержания углерода в стали, помимо повышения износоустойчивости деталей, позволяет производить их закалку.

Различают цементацию твердыми карбюризаторами (веществами, содержащими углерод) и газовую цементацию.

В первом случае детали укладывают в железный ящик и засыпают смесью древесного угля с углекислыми солями. Ящик ставят в печь и выдерживают там в течение 6 — 10 часов при температуре 850—950°. Углерод проникает в поверхностный слой детали и тем самым повышает поверхностную твердость.

Газовую цементацию также производят при высокой температуре, но карбюризатором служит чаще всего метан, углерод которого входит в химическое соединение с железом. Газовая цементация протекает в два-три раза быстрее, легче поддается регулировке и намного производительнее цементации твердыми карбюризаторами.

После цементации детали, как правило, подвергают закалке и отпуску.