冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是冷却速度，包括选择合适冷却介质、控制冷却时间、掌握冷却方法等；冷却速度主要取决于所选择的冷却介质和冷却方法。
冷却速度的选择首先应当是要满足于工艺要求，在材料确定的条件下，尺寸效应就是我们要考虑的问题。合理的冷却速度应当是满足工艺性能的前提下，采用较为缓和的冷速度，这主要是防止产生过大的组织应力和热应力，减少变形与开裂。同时热处理工艺中材料在某一温度范围内发生变化是有一定的时间关系的（珠光体转变区和贝氏体转变区）。在某一温度范围内冷却速度快慢对工艺性能是有决定性因素的（最低冷却速度）。而在其它温度范围内（如Ms点以下），冷却速度相对而言就不重要了。这就要求我们在材料确定的前提下合理掌握各温度范围内的冷却速度。
冷却速度一般来说，冷却速度从大到小依次为：淬火、正火、回火、退火；退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快，但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
冷却速度不当所产生的热处理缺陷为：
1.淬火：变形、开裂、软点、硬度不足。
2.回火：回火脆性、回火不足。
3.正火和退火：组织异常（魏氏组织、球化不良、石墨化等)
热处理冷却介质很多，空气（包括炉内自然冷却）、水（包括水溶液）、矿物油、熔盐、熔碱以及相互混合液和其它新型溶液介质（如聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液）等等，与热处理工艺性质的要求（淬火、正火、退火、回火）和材料性能有关。理想冷却介质的特性是符合TTT冷却曲线特点的介质，即冷却特性理想的是慢—快—慢，但是目前的使用的冷却介质没有一种能够能够达到，水冷太快、油冷太慢，因此，人们找到合成淬火液，但是也不理想，因此，热处理理想冷却介质到今天为止还是一项重要研究课题，另一方面理想冷却介质还应该具有安全、可靠、无毒、不易老化、来源充分易得、成本低等特点。
对于不同热处理工艺性质的要求（淬火、正火、退火、回火）选择冷却介质方法：
1.退火又称焖火，代号Th，是将钢件加热到Ac1或Ac3以上（30~50℃），保温一段时间，然后再缓慢的冷却，一般用炉内空冷。
2.正火又称明火，代号Z，是将钢件加热到Ac3或Acm以上（30~50℃），保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火稍快。
退火与正火的主要区别是，正火是完全退火的一种变态或特例，二者仅是冷却速度不同，通常退火是随炉冷而正火是在空气中冷却。
3.回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接使用。为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时进行回火，所以回火冷却介质一般是炉内空冷，而对于回火中有高温回火脆性（第二类回火脆性）的需要快冷，可采用水冷。
4.淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。
工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。这就要求在C曲线的“鼻子”以上温度缓冷，以减小急冷所产生的热应力；在“鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度，以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变；在“鼻子”下方，特别是Ms点以下温度时，冷却速度应尽量小，以减小组织转变的应力。
C曲线图：
常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。
●水
水是冷却能力较强的淬火介质。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在C曲线的“鼻子”区（500～600℃左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”；而在马氏体转变温度区（300～100℃），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。
在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。其缺点是介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10％，苛性钠水溶液的浓度为10％～15％。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。
●油
冷却介质一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种。
高速淬火油是在高温区冷却速度得到提高的淬火油。获得高速淬火油的基本途径有两种，一种是选取不同类型和不同黏度的矿物油，以适当的配比相互混合，通过提高特性温度来提高高温区冷却能力；另一种是在普通淬火油中加入添加剂，在油中形成粉灰状浮游物。添加剂游磺酸的钡盐、钠盐、钙盐以及磷酸盐、硬脂酸盐等。生产实践表明，高速淬火油在过冷奥氏体不稳定区冷却速度明显高于普通淬火油，而在低温马氏体转变区冷速与普通淬火油相接近。这样既可得到较高的淬透性和淬硬性，又大大减少了变形，适用于形状复杂的合金钢工件的淬火。
光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。在矿物油中加入不同性质的高分子添加物，可获得不同冷却速度的光亮淬火油。这些添加物的主要成分是光亮剂，其作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来，防止在工件上积聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加剂中还含有抗氧化剂、表面活性剂和催冷剂等。
真空淬火油是用于真空热处理淬火的冷却介质。真空淬火油必须具备低的饱和蒸汽压，较高而稳定的冷却能力以及良好的光亮性和热稳定性，否则会影响真空热处理的效果。
●盐浴和碱浴
盐浴和碱浴淬火介质一般用在分级淬火和等温淬火中。
●新型淬火剂
有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。
聚乙烯醇常用质量分数为0.1％～0.3％之间的水溶液，共冷却能力介于水和油之间。当工件淬入该溶液时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却。进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却能力高，有良好的冷却特性。
三硝水溶液由25％硝酸钠+20％亚硝酸钠+20％硝酸钾+35％水组成。在高温（650～500℃）时由于盐晶体析出，破还蒸汽膜形成，冷却能力接近于水。在低温（300～200℃）时由于浓度极高，流动性差，冷却能力接近于油，故其可代替水－油双介质淬火。
淬火冷却方法
生产实践中应用最广泛的淬火分类是以冷却方式的不同划分的，主要有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。
● 单液淬火
是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种，一直冷却到室温的淬火操作方法。单液淬火介质有水、盐水、碱水、油及专门配制的淬火剂等。一般情况下碳素钢淬火，合金钢淬油。
单液淬火操作简单，有利于实现机械化和自动化。其缺点是冷速受介质冷却特性的限制而影响淬火质量。单液淬火对碳素钢而言只适用于形状较简单的工件。
● 双液淬火
是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等。双液淬火减少变形和开裂倾向，操作不好掌握，在应用方面有一定的局限性。
● 马氏体分级淬火
是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。
分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。
● 贝氏体等温淬火
是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（260～400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为30～60min。
● 复合淬火
将工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使较大截面地工件获得组织M+B组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变，在等温时又使马氏体回火。复合淬火用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。
特殊工件也采用压缩空气淬火、喷雾淬火、喷流淬火。
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