在從石器時(shí)代到青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代的過程中，熱處理在熱處理工廠中的作用逐漸被人們所認(rèn)識。早在公元前770年至公元前222年，中國人在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，鋼的性能在溫度和壓力變形的影響下會發(fā)生變化。白口鑄鐵軟化處理是生產(chǎn)農(nóng)具的重要工藝。
公元前6世紀(jì)，鋼鐵武器逐漸被采用。為了提高鋼的硬度，淬火技術(shù)得到了迅速發(fā)展。河北宜縣燕夏出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織均為馬氏體，表明已淬硬。
隨著淬火技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬火劑對淬火質(zhì)量的影響。蒲淵是蜀國人，曾在陜西夏谷為諸葛亮制作過3000把劍。據(jù)說他派人到成都取水淬火。這說明中國在古代就注意到了不同水質(zhì)的冷卻能力，以及油和水的冷卻能力。西漢(公元前206年~公元24年)中山景王墓出土的寶劍，其心臟含碳0.15 ~ 0.4%，表面含碳0.6%以上，說明采用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手藝”的秘密，沒有傳播開來，所以發(fā)展緩慢。
1863年，英國的金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家在顯微鏡下觀察了鋼的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。法國奧斯蒙德建立的鐵的同分異構(gòu)體理論和英國奧斯汀繪制的鐵的碳相圖初步為現(xiàn)代熱處理工藝奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，人們也研究了金屬熱處理加熱過程中保護(hù)金屬的方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳。