Отжиг стали обуславливает вследствие перекристаллизации и рекристаллизации изменение величины зерна, степени дисперсности фаз и получение устойчивых равновесных структур распада аустенита.

Отжиг применяется преимущественно для отливок, проката, поковок и сварных изделий из доэвтектоидной углеродистой и легированной стали (сталь 60; 50Г; 65Г; 40Х и т. д.) с целью понижения твердости, уменьшения или уничтожения внутренних напряжений, для подготовки структуры к последующей механической обработке резанием и поверхностным пластическим холодным деформированием и к последующей термической обработке, для уменьшения структурной неоднородности.

По назначению различают отжиг полный, неполный, низкотемпературный, диффузионный и рекристаллизационный. При полном отжиге стальные детали нагреваются до температуры, превышающей на 30-40 °С верхнюю критическую точку Ас3 (температура окончания превращения перлитно-ферритной структуры в аустенит), выдерживаются при этой температуре и медленно охлаждаются до 400-600 °С, чаше всего с печью. Дальнейшее охлаждение может производиться с большей скоростью.

Для уменьшения продолжительности процесса полного отжига легированной стали применяется термический отжиг, состоящий из нагрева стали до температуры несколько большей Ас3, выдержки при этой температуре и ускоренного охлаждения до температуры ниже интервала превращения Acj (температура фазового равновесия аустенит-перлит), выдержки при этой температуре до полного превращения аустенита в перлит и окончательного охлаждения, обычно на воздухе.

Для улучшения обрабатываемости резанием и получения повышенной чистоты поверхности при зубодолблении, фрезеровании и протягивании шлицев у деталей из стали 40ХНМА, применяется изотермический отжиг при 760 °С с быстрым охлаждением до 635 °С, выдержкой при этой температуре в течение 4-6 ч. и дальнейшим охлаждением на воздухе.
В результате этой обработки сталь получает структуру в виде тонкопластинчатого перлита, зерен феррита и мелкозернистого цементита (НВ192-212). При неполном отжиге детали нагреваются до температуры выше Ac1, нр ниже Ас3, выдерживаются при этой температуре и медленно охлаждаются. Охлаждение при неполном отжиге может выполнятся также и по изотермическому режиму. Неполный отжиг применяется для проката и поковок из среднеуглеродистой стали с целью улучшения обрабатываемости резанием и снятия внутренних напряжений.

При низкотемпературном отжиге (высокий отпуск) производится нагрев стали ниже точки Ас1; выдержка при этой температуре и последующее охлаждение, чаще всего на воздухе. Этот вид отжига применяется главным образом для снятия внутренних напряжений после сварки изделий и после механической черновой обработки поковок из легированной стали, а также с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием высоколегированных сталей (12Х2НЧА, 20Х2НЧА и т. д.). Этот же отжиг для указанных сталей применяется после их цементации с целью уменьшения содержания аустенита в науглероженном слое. При диффузионном отжиге нагрев стали производится до температуры выше точки Ас3 на 160-300 °С, с продолжительной выдержкой (8-15 ч.) при этой температуре и последующим медленным охлаждением. Применяется преимущественно для крупных стальных отливок из легированной стали с целью выравнивания (путем диффузии) химического твердого раствора и уменьшении ликвации, т. е. химической неоднородности зерен твердого раствора. Диффузионный отжиг вызывает увеличение зерна, вследствие чего необходимо дополнительно производить полный отжиг или нормализацию с целью измельчения структуры.

Рекристаллизационный отжиг применяется для пластически-деформированной в холодном состоянии (наклепанной) стали (холодноштампованные изделия, холоднокатаные листы, прутки и т. д.) с целью восстановления структуры, а следовательно, и исходных свойств стали — восстановление пластичности и вязкости при некотором снижении прочности и твердости. В результате обрабатываемость стали улучшается. Проводится рекристаллизационный отжиг при температуре выше температуры рекристаллизации на 150-250 °С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении, при этом деформированная структура восстанавливается и становится мелкозернистой.