不是所有金属都能淬火，必须根据金属和碳或其他元素能否发生淬火反应。
举Fe为例子：加热到一定温度，Fe的晶格类型发生变化，晶格间隙变大，部分C原子析出，但没有析出的C原子晶格中造成晶格的正方畸变，形成一个强烈的应力场。
该应力场与位错发生强烈的交换作用，阻碍位错的运动从而提高Fe的硬度和强度。
淬火实际上是一个快速冷却的过程，在淬火的过程中，合金的高温相来不及转变成低温相，而被冻结在一个热力学上的亚稳态。
以钢（主要成分为Fe和C）为例，高温下Fe的稳定相是γ-Fe（面心立方），低温下则是α-Fe（体心立方）。碳在后者中的溶解度低，因此缓慢降温时均相（奥氏体）的高碳钢会析出Fe3C（渗碳体）和α-Fe（铁素体）两相。而快速冷却时，奥氏体会直接转变成亚稳态的马氏体（体心立方），从而避免了相分离。马氏体中填隙的碳原子起到了很好的固溶强化作用马氏体在快速冷却过程中产生大量缺陷，起到了钉扎位错的作用，因此淬火后钢材的硬度和强度都会提高。
其它合金的淬火过程，基本也是为避免低温下的相分离以充分利用固溶强化效应，同时在快速冷却过程中产生大量缺陷，从而提高材料的硬度和强度。
淬火后使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。
