Isıl işlem malzemenin atomik düzeninde değişiklikler yaparak malzemenin tüm özelliklerini (sertlik, tokluk, mukavemet, korozyon ve aşınma direnci vb.) geliştirmek için yapılır.
Genel anlamda, metalleri belirli bir sıcaklıkta tavlayarak yapılarını istenilen faza getirmek suretiyle yapılır. 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 sağlamlaştırmak 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. Isıl işlem, vakum, atmosfer kontrollü fırınlar, indüksiyon alev yüzey sertleştirme makineleri, akışkan yataklar ve tuz banyolarında yapılır.