Xử Lý Nhiệt là một phương pháp tác động nhiệt độ lên vật chất nhằm làm thay đổi vi cấu trúc chất rắn, đôi khi tác động làm thay đổi thành phần hóa học, đặc tính của vật liệu. Chủ yếu của ứng dụng nhiệt luyện là thuộc về ngành luyện kim. Nhiệt luyện cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như ngành sản xuất thủy tinh. Quá trình nhiệt luyện bao gồm sự nung nóng hoặc làm nguội với mức độ chênh lệch đáng kể, hoặc xử lý nhiệt theo một thời gian biểu nhằm mục đích làm mềm hay làm cứng vật liệu, cũng như tạo ra sự cứng hay mềm khác nhau trên cùng một vật liệu, ví dụ như tôi bề mặt, vật liệu chỉ cứng ở bề mặt (chống mài mòn) nhưng lại dẻo dai ở phần bên trong (chịu va đập cũng như chịu uốn rất tốt).
Nhiệt luyện đòi hỏi một quy trình chặt chẽ và có kiểm soát thời gian và tốc độ trao đổi nhiệt trên vật liệu. Nhiều quốc gia tiên tiến chưa công bố và còn bí mật một số công nghệ nhiệt luyện – yếu tố tạo ra một vật liệu có giá thành hạ nhưng tính năng sử dụng rất cao. Ví dụ, với một chi tiết trục động cơ, người ta sử dụng vật liệu thép hợp kim thấp (giá thành rẻ), sau công đoạn nhiệt luyện ram, thấm vật liệu có bề mặt cứng chịu được bài mòn cao, nhưng thân trục lại chịu được chấn động và chịu uốn khá lớn, chi tiết được bán với giá rất cao.
Bản chất của nhiệt luyện kim loại là làm thay đổi tính chất thông qua biến đổi tổ chức của vật liệu. Một quy trình nhiệt luyện bao gồm 3 giai đoạn: Nung, giữ nhiệt, làm nguội. Khi nung, tổ chức vật liệu sẽ thay đổi theo nhiệt độ, tuỳ thời điểm nâng, hạ nhiệt với các tốc độ khác nhau mà nhiệt luyện với các phương pháp khác nhau sẽ cho ra tính chất vật liệu mong muốn.
Để làm thay đổi mạnh hơn nữa các tính chất của kim loại và hợp kim, người ta còn kết hợp đồng thời các tác dụng của biến dạng dẻo và nhiệt luyện hay tác dụng hoá học và nhiệt luyện. Như vậy Nhiệt luyện (nói chung) bao gồm ba loại: Nhiệt luyện đơn giản, Cơ nhiệt luyện, Hoá nhiệt luyện.