利用快速加热的方法将钢件表面加热到临界点以上转变为奥氏体，然后快冷，形成马氏体组织的硬化层，而心部仍保持其原始组织（珠光体、索氏体），硬化层与基体之间一般都存在有不完全淬火的过渡层，这种工艺常称为表面淬火，提高耐磨性和疲劳强度是表面淬火的主要目的。表面淬火方法很多，根据加热方法的不同可分为：感应淬火、火焰淬火、激光淬火、电子束淬火等。

加热时靠近表面一定层深范围，不同程度地超过Ac₃温度，达到奥氏体组织状态，在淬火时有足够的冷却速度时，将转变为非平衡的马氏体组织，是完全淬火的硬化层；心部基体部分的加热温度低于Ac₁，保持原始组织；介于表层和心部之间的次表层被加热到Ac₁与Ac₃温度之间，组织是奥氏体加铁素体，快速冷却后是不完全淬火的过渡层，组织为马氏体加铁素体。加热的强烈程度愈大，工件内部温度分布曲线就愈陡，淬硬层及不完全淬火的过渡层就愈薄，淬硬层、不完全淬火的过渡层和基体三者之间没有明显的界线。原始组织对快速加热固态相变影响很大。原始组织细、均匀时，可在较低温度和较短的保温时间内完成组织转变，淬火后得到细的或隐晶马氏体，硬度高，疲劳强度高，耐磨性好。为此，表面淬火前一般需要进行预备热处理，中碳结构钢常采用调质或正火处理。

表面淬火的加热速度快、保温时间短，奥氏体的晶粒度极细，淬火时冷速很快甚至自冷淬火，其淬硬层中马氏体很细，使得工件表面硬度、强度比一般淬火要高，因而具有良好的抗粘着磨损与疲劳磨损的能力。由于表面淬火后表面层形成比体积大的马氏体，使工件表面层存在有较大的残余压应力。这种存在残余压应力的高硬度表面层将使工件的弯曲强度、扭转强度，特别是疲劳强度明显提高。

表面热处理的工艺简单，强化效果明显，变形小，生产效率高易于实现机械化、节能、少污染，经过表面淬火的钢件，提高了表面的硬度和耐磨性，与经过适当热处理具有较高韧性的心部组织配合，可以使工件获得高度疲劳强度和强韧性，是应用相当广泛的工艺技术。