热处理工艺中的一个重要问题是对工件性能影响深远的热处理应力。这种应力源于工件在加热和冷却过程中，由于温度和时间差异导致的体积膨胀和收缩不均，形成热应力。当应力超过材料的屈服强度或强度极限，可能会导致工件变形或开裂，对产品质量构成威胁。然而，通过合理控制应力分布，可以将其转化为提高机械性能和寿命的有利因素。
钢在热处理过程中，由于冷却速度、材料成分和工艺的不同，会形成热应力和组织应力。热应力源自冷却过程中的体积不均收缩，而组织应力则因组织转变时的体积膨胀差异产生。这两种应力在冷却过程中相互作用，其结果复杂且受多种因素影响，如钢的化学成分、形状和热处理工艺。热应力和组织应力可以相互抵消或迭加，主导应力类型决定了工件心部和表面的应力状态：热应力主导时，心部受拉表面受压；组织应力主导时则相反。
热处理应力对淬火裂纹有显著影响，特别是在拉应力场中。冷却速度是影响淬火质量和残余应力的关键因素，快速冷却能增加热应力，从而抑制纵裂。然而，对于高淬透性钢，尺寸增大可能导致热应力减小而组织应力增加，这增加了表面拉应力，增加了裂纹的风险。因此，减小截面内外马氏体转变的不等时性是避免淬裂的关键。对于非淬透性件，快速冷却仅是裂纹形成条件之一，真正的成因在于冷却速度的显著减缓。为防止这类裂纹，如采用水--油双液淬火工艺，既保证外层获得马氏体，又通过后期缓冷减少应力，从而抑制淬裂。
热处理工艺在我国已有悠久的历史，早在商代就已经有了经过再结晶退火的金箔饰物，在洛阳出土的战国时代的铁锛，系由白口铁脱碳退火制成。热处理工艺最早的史料记载见于《汉书。王褒传》中。金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。