淬火硬化的原理主要涉及金屬材料在加熱後迅速冷卻的過程中發生的物理和結構變化。這個過程可以提升金屬的硬度和強度，同時也會影響其韌性和延展性。淬火過程大致可以分為三個階段：加熱、保溫和冷卻，其中冷卻階段是關鍵，因為它決定了最終的效果。在加熱階段，金屬內部的晶粒會增大，而迅速冷卻則阻止了晶粒的進一步增長，同時導致原子沒有足夠的時間填補缺陷，從而使得金屬內部的晶粒排列更加緻密，缺陷得到修復。
淬火過程中最顯著的結構變化是相變，即金屬材料從一種晶體結構轉變為另一種結構。例如，鋼在淬火時從奧氏體結構轉變為馬氏體結構，後者具有更高的硬度。這種結構變化是導致硬度提升的主要原因。此外，淬火還會導致金屬內部產生殘餘應力，這些應力阻礙位錯的移動和晶體滑移，從而增加硬度。同時，淬火後的金屬材料通常具有更高的耐磨性和疲勞強度，這是因為其晶體結構變得更加緻密，晶粒細化。
然而，淬火也會使金屬變脆，降低其韌性。為了平衡硬度和韌性，可能需要進行後續的溫度處理。總的來說，淬火是一種通過改變金屬內部結構和組織來提升其硬度和強度的熱處理工藝。