利用快速加熱的方法將鋼件表面加熱到臨界點以上轉變為奧氏體，然后快冷，形成馬氏體組織的硬化層，而心部仍保持其原始組織（珠光體、索氏體），硬化層與基體之間一般都存在有不完全淬火的過渡層，這種工藝常稱為表面淬火，提高耐磨性和疲勞強度是表面淬火的主要目的。表面淬火方法很多，根據加熱方法的不同可分為：感應淬火、火焰淬火、激光淬火、電子束淬火等。

加熱時靠近表面一定層深范圍，不同程度地超過Ac₃溫度，達到奧氏體組織狀態，在淬火時有足夠的冷卻速度時，將轉變為非平衡的馬氏體組織，是完全淬火的硬化層；心部基體部分的加熱溫度低于Ac₁，保持原始組織；介于表層和心部之間的次表層被加熱到Ac₁與Ac₃溫度之間，組織是奧氏體加鐵素體，快速冷卻后是不完全淬火的過渡層，組織為馬氏體加鐵素體。加熱的強烈程度愈大，工件內部溫度分布曲線就愈陡，淬硬層及不完全淬火的過渡層就愈薄，淬硬層、不完全淬火的過渡層和基體三者之間沒有明顯的界線。原始組織對快速加熱固態相變影響很大。原始組織細、均勻時，可在較低溫度和較短的保溫時間內完成組織轉變，淬火后得到細的或隱晶馬氏體，硬度高，疲勞強度高，耐磨性好。為此，表面淬火前一般需要進行預備熱處理，中碳結構鋼常采用調質或正火處理。

表面淬火的加熱速度快、保溫時間短，奧氏體的晶粒度極細，淬火時冷速很快甚至自冷淬火，其淬硬層中馬氏體很細，使得工件表面硬度、強度比一般淬火要高，因而具有良好的抗粘著磨損與疲勞磨損的能力。由于表面淬火后表面層形成比體積大的馬氏體，使工件表面層存在有較大的殘余壓應力。這種存在殘余壓應力的高硬度表面層將使工件的彎曲強度、扭轉強度，特別是疲勞強度明顯提高。

表面熱處理的工藝簡單，強化效果明顯，變形小，生產效率高易于實現機械化、節能、少污染，經過表面淬火的鋼件，提高了表面的硬度和耐磨性，與經過適當熱處理具有較高韌性的心部組織配合，可以使工件獲得高度疲勞強度和強韌性，是應用相當廣泛的工藝技術。