Применение того или иного вида термической обработки в машиностроении связано с возможностью получения определенных технических свойств. Поэтому удобно в качестве классификационного признака для различных видов термической обработки стали принять характер изменения свойств. В соответствии с этой классификацией процессы термической обработки можно разделить на четыре группы.
Группа первая — процессы термической обработки, приводящие к упрочнению изделий во всем объеме: закалка с последующим отпуском (например, высокотемпературным, так называемое улучшение), закалка с последующим старением.
Группа вторая — процессы термической обработки, приводящие к поверхностному упрочнению изделий с целью повышения износоустойчивости, предела выносливости (стойкость при знакопеременных нагрузках), устранения влияния концентраторов напряжений и, в некоторой степени, общего упрочнения. Для этой цели применяются поверхностная закалка и некоторые процессы химико-термической обработки (цементация, азотирование, борирование). К тем же результатам приводит поверхностный наклеп (так называемая дробеструйная обработка).
Группа третья — процессы термической обработки, приводящие к общему смягчению изделий, снятию внутренних напряжений, повышению пластичности и ударной вязкости. К этой группе принадлежат процессы отжига, нормализации и отпуска.
Группа четвертая объединяет процессы термической обработки, которые придают поверхностным слоям изделий особые физико-химические свойства и способствуют защите изделий от атмосферной коррозии, растворения в агрессивных средах, от окисления и испарения при высоких температурах и т. п. Для этой цели применяются некоторые разновидности химико-термической обработки: антикоррозионное азотирование, силицирование, алитирование и т. п.
Кроме указанных видов термической обработки, в последнее время все большее применение получает термомеханическая обработка, заключающаяся в совокупности процессов деформации, нагрева и охлаждения в различной последовательности, в результате чего формирование структуры сплава и изменение его свойств происходит в условиях повышенной плотности несовершенств строения, созданных пластической деформацией.
Отжиг (гомогенизация и нормализация). Целью является получение однородной зёренной микроструктуры и растворение включений. Последующее охлаждение является медленным, препятствующим образованию неравновесных структур типа мартенсита.
Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур типа мартенсита. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки зависит от материала.
Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, внесённых при закалке. Материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.
Дисперсионное твердение (старение). После проведения отжига проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.