Закалка заключается в нагреве стали выше критических точек Ас₃ и Ас₁, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Главная цель закалки – достижение высокой твёрдости, прочности и, следовательно, износостойкости. Изделия из доэвтектоидных сталей нагревают на 30–50 °С выше точки Ас₃, что приводит к превращению феррито-перлитной структуры в аустенитную, которая при охлаждении со скоростью, большей критической, превращается в мартенсит либо в мартенсит + остаточный аустенит. Так называемая неполная закалка, т. е. закалка от температур, соответствующих интервалу Ас₁ – Ас₃, неприемлема, поскольку образуется структура, в которой наряду с мартенситом будет присутствовать мягкий феррит. Нагрев значительно выше Ас₃ приводит к формированию грубой, крупнозернистой структуры
и, следовательно, более низким свойствам.

Изделия из заэвтектоидных сталей нагревают на 30–50 °С выше температуры Ас₁. После закалки структура состоит из мартенсита, аустенита и цементита, повышающего твердость и износостойкость. Нагрев выше точки Асm неприемлем, поскольку высокая температура приводит к укрупнению зерна и снижению механических свойств. Поэтому для заэвтектоидных сталей неполная закалка является оптимальной.

Кроме температуры нагрева, на качество закалённых изделий оказывают влияние продолжительность нагрева и скорость охлаждения. Время нахождения изделий в печи,
с одной стороны, должно обеспечивать завершение фазовых превращений, а с другой – не должно быть слишком большим, чтобы не вызвать обезуглероживания поверхностных слоев и роста зерна стали. Общая продолжительность нагрева, включая время прогрева изделия по сечению до требуемой температуры и время изотермической выдержки, определяется опытным путем.

Охлаждение изделий проводят в различных средах: воде, водных растворах поваренной соли или едкого натра, водовоздушных смесях, подаваемых через форсунки, воздухе, минеральном масле. Указанные и другие закалочные среды обладают различной охлаждающей способностью. Если охлаждение в любой закалочной среде производится со скоростью выше критической, образуется структура мартенсита, обладающая наибольшей твёрдостью. При меньших скоростях аустенит будет распадаться на бейнит, троостит или сорбит, имеющих более низкую твёрдость по сравнению с твёрдостью мартенсита.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали. Закаливаемость – свойство стали повышать твёрдость в результате закалки. Закаливаемость определяется в основном содержанием углерода в решётке ?-железа. Под прокаливаемостью понимают способность стали воспринимать закалку на определённую глубину при охлаждении от температуры аустенизации. Чаще всего за глубину закалённого слоя принимают расстояние от поверхности изделия до зоны, состоящей из 50 % мартенсита и 50 % троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Поэтому легированные стали, вследствие высокой устойчивости переохлаждённого аустенита и, следовательно, меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые.

На практике применяют различные способы закалки. Наибольшее распространение получила закалка в одном охладителе, получившая название непрерывной. Для углеродистых сталей и деталей сложной конфигурации этот наиболее простой способ неприемлем ввиду возникновения значительных напряжений и деформации. Поэтому применяют другие способы закалки, способствующие снижению напряжений: прерывистую, ступенчатую, изотермическую закалку, закалку с самоотпуском.

Прерывистая закалка осуществляется в двух охладителях. Сначала изделие быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше М_н, а затем в менее интенсивном охладителе – в масле или на воздухе, что способствует снижению внутренних напряжений и деформаций.

Ступенчатая закалка заключается в выдержке нагретой детали в закалочной среде при температуре несколько выше точки М_н (обычно 180–250 °С) и последующем охлаждении до комнатной температуры на воздухе. Назначение выдержки – выравнивание температуры по всему сечению изделия. При такой выдержке, однако, не должен происходить распад аустенита с образованием бейнита.

Изотермическая закалка. Закалка по этому способу производится, как и ступенчатая, в ванне при температурах выше точки М_н. Отличие состоит в том, что предусматривается более длительная выдержка с целью распада аустенита с образованием бейнита. В результате получают высокие значения прочности и вязкости при твёрдости HRC 40–50. Изотермическую закалку применяют для деталей, склонных к короблению и образованию трещин.

Закалка с самоотпуском обеспечивает высокую твёрдость поверхностного слоя в сочетании с вязкой сердцевиной. Сущность этого способа состоит в том, что охлаждение изделия в закалочной среде прерывают: его извлекают из ванны и дальнейшее охлаждение осуществляют на воздухе. Под действием теплоты, сохранившейся в сердцевине изделия, происходит самоотпуск. Закалка с самоотпуском применяется для инструментов, «работающих» с ударными нагрузками (зубила, молотки, кувалды, кернеры и др.).

В тех случаях, когда необходимо повысить твёрдость и износостойкость поверхности изделий, сохранив при этом вязкую сердцевину, применяют поверхностную закалку. Наиболее часто нагрев поверхности под закалку осуществляют токами высокой частоты, реже – пламенем газовой горелки. В последнее время получила развитие поверхностная закалка при нагреве лазером, электронным лучом и высокочастотная импульсная закалка. Это прогрессивные методы поверхностного упрочнения, обеспечивающие достижение высокой твёрдости при минимальных поводках. Особенно перспективны эти методы при упрочнении сложных изделий, когда требуется упрочнение отдельных участков. Процессы основаны чаще всего на самозакалке – интенсивном отводе тепла от нагретых участков в глубь изделия.

Для уменьшения напряжений и хрупкости изделия после всех видов закалки, исключая закалку с самоотпуском, обязательно подвергают отпуску.