Nach der Produktion hat der Stahl meist noch nicht die für den Verwendungszweck notwendigen Eigenschaften. Die wichtigsten Grundlagen sind durch die Legierung bereits gelegt. Durch eine abschließende Wärmebehandlung können dann weitere Verbesserungen erzielt werden.

Unter dem Begriff Wärmebehandlung sind verschiedene Verfahren zusammengefasst, die unterschiedliche Ziele verfolgen. Der Werkstoffzustand kann über den ganzen Querschnitt so verändert werden, dass zum Beispiel Härte, Zugfestigkeit oder Zähigkeit einen bestimmten Wert erreichen. Andere Verfahren erlauben eine gezielte Änderung der Randschicht, können jedoch auch gewünschte und unerwünschte Veränderungen im Werkstoffinneren hervorrufen.

Beim Abkühlen folgen die Gefügeumwandlungen einem anderen Verlauf, der im Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU-Diagramm) beschrieben wird. Bei hoher Abkühlgeschwindigkeit erfolgt die Umwandlung von Austenit in Perlit sehr schnell bei etwa 723°C. Dabei kann der Kohlenstoff nicht mehr vollständig diffundieren und die Umwandlung und Ausscheidung von Zementit wird behindert. Bei sehr hohen Abkühlgeschwindigkeiten von über 15°C/s entsteht anstelle von Perlit Bainit, ein Gefüge, bei dem das kubisch-raumzentrierte Gitter durch den eingelagerten Kohlenstoff verzerrt ist.
Bei extrem schneller Abkühlung erfolgt eine Gefügeumwandlung erst unterhalb von 400°C. Dann bildet sich innerhalb kürzester Zeit ein tetragonal raumzentriertes Gitter, welches sich stark vom normalen Perlit oder Bainit unterscheidet. Dieses Gefüge wird Martensit genannt und ist extrem hart und spröde.