Daha sonra metal ani olarak soğutulur ve bu sayede granüller (grain) oda sıcaklığında termodinamik açıdan denge fazı (phase) olmayan bir faza hapsolmuş olur. Bu faz genellikle malzemenin daha üstün mekanik özellikler gösterdiği bir fazdır. Isıl işlemin teorisi pek bilinmese de sanayi devrinden çok önceleri pratiği biliniyor ve uygulanıyordu. Örnek vermek gerekirse, demircilerin kılıçları sağlamlaş
tırmak için dövdükten sonra suya batırarak ani soğutması basit bir ısıl işlemdir. Benzer uygulamalar; keskinliğin, sertliğin, aşınmaya karşı direncin gerektiği diğer bazı metal eşyalarda da olmuştur. Karbonizasyon adı verilen bir teknik ise sanayi devriminden sonra bulunmuş ve günümüzde sıkça kullanılmaktadır. Metallerin yüzey özelliklerini artırmakta kullanılan bir ısıl işlem tekniğidir. Bu teknikte, metal karbon açısından zengin bir ortamda karbon elementlerinin metalin yüzeyinden difüzyon yardımıyla geçebileceği bir sıcaklıkta tutulur (bekletilir). İşlem süresi istenilen efektif sertlik derinliğine göre değişir. Difüzyon işleminin doğası gereği yüzeyden derine doğru karbon konsantrasyonu parabolik olarak azalır. Burada, efektif sertlik derinliği arzu edilen minimum sertlik değerinin sağlandığı yüzey derinliğidir. Karbon açısından zengin bir ısıtma ortamı sağlamak için atmosfer kontrollü fırınlarda ortama karbon zengini gazlar verilir, daha eski bir teknoloji ise metali karbon içeren ergimiş haldeki sanayi tuzlarının içinde sertleştirmektir. Malzemenin sertliğinin artması ile aşınma dayanımı da artar ama aynı zamanda malzeme daha kırılgan olur ve dayanıklılığı azalır. Yani ısıl işlem bazı mekanik özellikleri iyileştirirken bazılarını da kötüleştirir. Bu anlamda kullanım alanı için en uygun noktayı bulmak esastır. Isıl işlem sırasında; sıcaklık, zaman ve atmosferin eş zamanlı kontrolü ile en uygun şartların oluşması sağlanarak istenilen nitelikteki malzeme üretilir.
