通常分為預先熱處理和最終熱處理，預先熱處理是為進一步加工或處理做組織準備，最終熱處理是給零件以使用性能。

（１）預先熱處理

為了改善熱加工造成的晶粒粗大和帶狀組織，獲得便于切削加工的組織和性能，需要進行預先熱處理。對于珠光體型調質鋼，在800℃左右進行一次退火代替正火，可細化晶粒，改善切削加工性。對馬氏體型調質鋼，在正火以后，再于Ar1以下進行高溫回火，回火后硬度可由HB380~550降至HB207~240，此時可順利進行切削加工。

（２）最終熱處理

根據不同鋼號的臨界點確定加熱溫度（一般在850℃左右），然后淬火、回火，回火溫度依對鋼性能要求而定。當要求鋼有良好的強韌性配合，即具有良好綜合力學性能時，必須進行500~650℃之間的高溫回火（調質處理）；當要求零件具有特別高的強度（σb=1600~1800Mpa）時，采用200℃左右回火，得到中碳回火馬氏體組織。這也是發展超高強度鋼的重要方向之一。

調質鋼最終熱處理的第一步工序是淬火，調質鋼都是亞共析鋼，即將鋼件加熱至約850℃左右（＞Ac3）進行淬火。具體加熱溫度的高低需根據鋼的成分來決定。含硼的鋼，其淬透性對淬火溫度高低十分敏感，故必須嚴格按照所規定的溫度加熱，溫度過高或過低都會使淬透性減低。淬火介質可以根據鋼件尺寸大小和該鋼淬透性高低加以選擇。實際上，除碳鋼外，一般合金調質鋼零件都在油中淬火；對合金元素含量較高、淬透性特別大的鋼性，甚至空冷也能淬得馬氏體組織。

淬火只是調質鋼熱處理的第一步。處于淬火狀態的鋼，內應力大，很脆，不能直接使用，必須進行第二步熱處理工序—回火，以便消除應力，改變組織，增加韌性，調整強度。

回火是使調質鋼的力學性能定型化的關鍵工序。為了使調質鋼具有最良好的綜合力學性能，調質鋼零件一般采用500~650℃的高溫回火。

回火的具體溫度則根據鋼的成分及對性能的要求而定。

調質鋼在高溫回火后雖能獲得優良的綜合力學性能，但對于某些合金鋼（如Cr-Ni、Cr-Mn等鋼）來說，當自高溫回火溫度緩慢冷卻時，往往會出現第二類回火脆性現象。調質鋼的回火脆性是必須注意防止的。

調質鋼一般制成大截面的零件，難以采取快速冷卻方法抑制回火脆性的發生，因此經常采用加入Mo和W合金元素的辦法，其適宜含量為：Mo在0.15%~0.30%范圍，而W在0.8%~1.2%范圍。

調質鋼的零件，通常除了要求有良好的綜合力學性能外，往往還要求表層有良好的耐磨性能。為此，經過調質熱處理的零件往往還要進行感應加熱表面淬火。如果對耐磨性能的要求極高，則需要選用專門的調質鋼進行專門的化學熱處理，如選用38CrMoAlA鋼進行氮化處理。