Сразу после закалки изделия применяться не могут, так как в силу неравновесности получаемых при закалке структур они имеют значительные внутренние напряжения. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, заключающейся в медленном нагреве изделий до температуры ниже Ас₁, выдержке при заданной температуре
с последующим охлаждением – обычно на воздухе. В результате отпуска образуется более равновесная структура, полностью или частично снимаются внутренние напряжения. Чем выше температура отпуска и чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения.

В зависимости от температуры нагрева закалённой стали различают три вида отпуска:

·       низкий, или низкотемпературный отпуск, который проводят при температурах до 250 °С. Такой отпуск обеспечивает снижение внутренних напряжений, превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска, повышение прочности и вязкости. Твёрдость практически не меняется и составляет HRC 58–63 для сталей с содержанием 0,5–1,3 % С. Этому виду отпуска подвергают большинство деталей, упрочнённых поверхностной закалкой, цементацией, цианированием и нитроцементацией (см. гл. 9), а также измерительный
и режущий инструмент из углеродистых и низколегированных сталей;

·       средний, или среднетемпературный отпуск, который проводят с нагревом до 350–500 °С с целью получения троостита отпуска или троосто-мартенсита. Такая термическая обработка, которая повышает вязкость и обеспечивает высокий предел упругости, применяется в основном при изготовлении пружин, рессор, штампов и прессформ. Твёрдость стали снижается до HRC 40–50;

·       высокий, или высокотемпературный отпуск, выполняют при 500–680 °С с целью получения сорбита отпуска. В результате отпуска почти полностью снимаются возникшие при закалке напряжения и образуется специфическая форма цементитных частиц – короткие пластинки с округлёнными краями. Такая структура обеспечивает наилучшее соотношение между прочностными и пластическими свойствами, высокую ударную вязкость, снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Термическую обработку, включающую закалку стали на мартенсит и последующий высокотемпературный отпуск, называют улучшением. Этому виду термической обработки подвергают конструкционные стали с содержанием 0,3–0,5 % С. Высокий отпуск используют для термической обработки изделий, подвергающихся воздействию высоких напряжений (шатуны двигателей, оси автомобилей и др.).