淬火实际上是一个快速冷却的过程，在淬火的过程中，合金的高温相来不及转变成低温相，而被冻结在一个热力学上的亚稳态。以钢（主要成分为Fe和C）为例，高温下Fe的稳定相是γ-Fe（面心立方），低温下则是α-Fe（体心立方）。碳在后者中的溶解度低，因此缓慢降温时均相（奥氏体）的高碳钢会析出Fe3C（渗碳体）和α-Fe（铁素体）两相。而快速冷却时，奥氏体会直接转变成亚稳态的马氏体（体心立方），从而避免了相分离。马氏体中填隙的碳原子起到了很好的固溶强化作用；马氏体在快速冷却过程中产生大量缺陷，起到了钉扎位错的作用，因此淬火后钢材的硬度和强度都会提高。其它合金的淬火过程，基本也是为避免低温下的相分离以充分利用固溶强化效应，同时在快速冷却过程中产生大量缺陷，从而提高材料的硬度和强度。