在热处理过程中有两种机制可能会改变合金的性能：马氏体的形成导致晶体发生内在变形，扩散机制导致合金均匀性发生变化。
晶体结构由以非常特殊的排列方式组合在一起的原子组成，称为晶格。 在大多数元素中，这个顺序会根据温度和压力等条件自行重新排列。 这种称为同素异形体或多态性的重排可能会在特定金属的许多不同温度下发生多次。 在合金中，这种重排可能导致通常不会溶解到基础金属中的元素突然变得可溶，而同素异形体的逆转将使元素部分或完全不溶。
当处于可溶状态时，扩散过程导致溶解元素的原子散开，试图在贱金属的晶体内形成均匀分布。 如果合金冷却到不溶状态，溶解成分（溶质）的原子可能会从溶液中迁移出来。 这种类型的扩散称为沉淀，会导致成核，其中迁移的原子在晶界聚集在一起。 这形成了通常由两个或多个不同相组成的微观结构。 例如，加热到奥氏体化温度以上（红色到橙热，或大约 1,500 °F（820 °C）到 1,600 °F（870 °C），具体取决于碳含量）的钢，然后缓慢冷却，形成 由铁素体和渗碳体交替层组成的层状结构，成为软珠光体。 将钢加热至奥氏体相后再进行水淬，其显微组织将处于马氏体相。 这是由于钢在淬火后会由奥氏体相转变为马氏体相。 如果淬火没有迅速冷却掉所有的钢，则可能存在一些珠光体或铁素体。
