不是所有金屬都能淬火，必須根據金屬和碳或其他元素能否發生淬火反應。
舉Fe為例子：加熱到一定温度，Fe的晶格類型發生變化，晶格間隙變大，部分C原子析出，但沒有析出的C原子晶格中造成晶格的正方畸變，形成一個強烈的應力場。
該應力場與位錯發生強烈的交換作用，阻礙位錯的運動從而提高Fe的硬度和強度。
淬火實際上是一個快速冷卻的過程，在淬火的過程中，合金的高温相來不及轉變成低温相，而被凍結在一個熱力學上的亞穩態。
以鋼（主要成分為Fe和C）為例，高温下Fe的穩定相是γ-Fe（面心立方），低温下則是α-Fe（體心立方）。碳在後者中的溶解度低，因此緩慢降温時均相（奧氏體）的高碳鋼會析出Fe3C（滲碳體）和α-Fe（鐵素體）兩相。而快速冷卻時，奧氏體會直接轉變成亞穩態的馬氏體（體心立方），從而避免了相分離。馬氏體中填隙的碳原子起到了很好的固溶強化作用馬氏體在快速冷卻過程中產生大量缺陷，起到了釘扎位錯的作用，因此淬火後鋼材的硬度和強度都會提高。
其它合金的淬火過程，基本也是為避免低温下的相分離以充分利用固溶強化效應，同時在快速冷卻過程中產生大量缺陷，從而提高材料的硬度和強度。
淬火後使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然後配合以不同温度的回火，以大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等。
