材料熱處理在中國有悠久的歷史。與世界其他地區相比，中國古代熱處理技術的發展有明顯的區域特色，在某些方面中國的熱處理技術落后于其它地區，但也有許多發明和技術在世界熱處理史上處于遙遙領先的地位，其中不少成果還傳播到了世界各地，對世界熱處理技術的進步起到了直接的促進作用。

我國材料熱處理技術的發展，同其它技術類似，傳統的熱處理技術經歷過從萌芽、建立、發展、鼎盛到衰弱，最后是現代技術的引入、消化和發展的過程。參考我國古代的分期，可以認為，在遠古時期，我國的熱處理已經開始出現萌芽，在上古時期，我國傳統熱處理技術開始初步建立；到中古時期，我國傳統的熱處理技術進一步發展；在近古時期，我國傳統熱處理技術達到鼎盛，在近現代時期，我國的傳統熱處理技術逐漸衰弱，同時現代技術開始建立和發展。

在遠古時期，我國的熱處理已經出現萌芽。古代熱處理技術發展的基礎是火。火的利用是不能不提的。在舊石器時代，火主要被用于取暖照明烹飪和驅趕野獸。中國古人類在用火方面素有傳統。最遲在46萬年前的北京猿人時期，我們的祖先已學會了用火。已有的考古資料表明，北京周口店山頂洞人居住的洞穴中發現的灰燼，是世界公認的具有典范的人類用火的最早遺跡之一。中國古代先民將火用于材料熱處理是從新石器時代開始的。在新石器時代早期，古代先民在勞動和生活中，經常與泥土打交道，發現泥土與適量的水混合后，就會有粘性和可塑性，可以用手隨意地塑造成各種形狀。泥坯涼干變硬，可盛東西，但泥器怕水。過火的泥坯不怕水，這可能是源于一次偶然的發現。從此開始，由于火，由于熱處理，使粘土轉變為經久、耐火、耐水的陶器。這是人類自覺進行熱處理最早事例。根據現有考古資料表明，我國陶器出現在距今7千～1萬年以前，它是世界上最早出現的陶器。經測定早期的陶器大都經歷750～1000℃溫度左右的熱處理，這使得泥坯中的石英、云母、長石等粘土礦物發生高溫轉變。此后，人們對陶器的選料和燒成條件不斷實踐，使我國早期的陶瓷工藝遠遠領先于世界其它地區。普通泥質陶具容易破碎，我國先民又發明了在泥土中加入一定量的砂，由于在粘土中加砂燒制成夾砂陶器，使材質的膨脹系數降低，抗冷熱穩定性大大提高。夾砂陶器在很多新石器時代的遺址均有發現。  

在夏朝和商朝時期，我國古代先民也開始認識金屬、加工金屬以及冶鑄金屬。人類應用銅的歷史可追溯到公元前7250年以前。退火工藝的發明應該說是人類金屬熱處理的開端。研究表明早期的銅及其合金不經過退火是不適宜進行大形變量加工的。銅及其合金容易發生加工硬化，中間退火產生再結晶使銅合金軟化，以便進行進一步的加工，這一技術以后廣泛應用于制造兵器和生活器具。國外采用鍛造和退火的工藝對青銅進行加工處理很早就已經出現。中國古代先民應用銅及其合金的歷史要晚于兩河流域。根據發掘出的早期器物，有的認為我國約于公元前5千年已有冶金術的萌生。迄今所知的中國最早的金屬遺物是臨潼姜寨屬仰韶文化半坡類型一期遺址發掘的銅片、管。此外，還有山東大汶口文化遺址出土的距今約6000年的紅銅屑和遼寧建平出自牛河梁紅山文化遺址的紅銅環等。可以認為在大約公元前7千年至第三千紀出現的遠古的金屬遺物已經表明金屬技術在這塊土地上開始萌生。尤其是公元前3千年后半葉的龍山文化時期，中國有關的出土銅器有11類50多件。龍山文化時期的銅器都屬于刀、錐、鑿、鉆一類的小件工具和飾物，其成形方法用鑄造或鍛造，有的刃具在加工中可能經過退火處理。原北京鋼鐵學院冶金史組對由甘肅永靖秦魏家遺址出土的約公元前1700年的青銅錐的分析表明，其基體組織為再結晶固溶體，晶粒粗大，α+δ共析組織沿加工方向變形，很明顯該組織經歷過再結晶退火。古代兵器如劍、戢、斧、戈等，需要進行鍛打成鋒刃，為防止鍛造過程中的開裂，須采用鍛間退火處理。“鍛乃矛戈”是商周時期有關制作兵器的記載，有效地應用退火技術，才能制作出制型復雜、鋒利異常的寶劍。  

退火還在隕石加工中被應用。隕鐵實際上屬高鐵鎳合金。居住在兩河流域的人類從公元前3000多年以前就開始使用這一“天賜”的金屬。為了制造刀具或小件物品，他們采用了退火或鍛造工藝。這是人類最早的鋼鐵熱處理。我國在商周遺址**發現了七件隕鐵制品，有經過鍛造和退火加工的痕跡。其中年代最久的是1972年河北藁城臺西村商代遺址出土的屬公元前14世紀的鐵刃銅鉞。在鐵刃中有高、低鎳層狀組織，確認系采用含鎳較高的隕鐵鍛制而成。另有一件是 1977年在北京平谷縣劉家河村的商代墓葬中發現鐵刃銅鉞。其中的鐵刃被鍛造成2毫米左右厚的薄片。這一鐵刃銅鉞明顯是經歷過鍛造和退火加工。相比之下，中國的隕鐵加工較兩河流域晚些，這些制品的退火加工是否是中國先民所為，在國際考古學界仍有爭議。國外有相當多的學者認為，這一件物品很有可能是從中東或亞洲其它地區引入的，他們認為中國用鐵歷史較短，在當時還沒有能力進行類似的金屬加工。 

退火在商代被用于自然金的加工。自然金主要來源于天然金塊和砂金的熔塊。金的早期一個重要用途是做成很薄的金葉或金片，來裝飾器物。國外早期通常采用冷加工使金片的厚度減到百分之幾毫米。中國出土的金制品多為飾物，如金臂釧、金耳墜、金珥、金葉等，出土的商代遺存中還有相當薄的金箔。如安陽大司空殷商墓出土的金箔，其厚度為0.01±0.001mm，經原北京鋼鐵學院冶金史教研室分析，其晶粒大小均勻、晶界平直，認為是采用鍛打和退火工藝制成的。由于中國早期在建筑等方面的大面積裝飾需要，促使中國工匠在金箔的加工中應用了退火處理。退火的應用，使中國商代就擁有金箔。 

周朝，特別是春秋戰國時期，是我國的冶鐵術的肇始時期。這期間出現了固體滲碳制鋼術。固體滲碳是采用將工件埋入固體滲碳物質中進行處理的工藝技術，它是最古老的熱處理技術之一。中國固體滲碳處理大約開始于春秋時期，其年代大約在公元前7至前6世紀左右，這是金屬化學熱處理的開端。固體滲碳鋼可以制作更加鋒利、細長的兵器，是換代的兵器材料。中國古代的文獻《越絕書》對此有描述，“黃帝之時，以玉為兵，禹穴之時，以銅為兵，當此之時(文中指春秋時期，筆者注)，做鐵兵，威服三軍”。固體滲碳制鋼在我國的應用比國外制鐵業的發源地落后了大約十個世紀。采用固體滲碳法制取的產品被稱為快煉鐵。我國出土的塊煉鐵實物不多，考古證實在春秋晚期墓葬中已經出現中碳的塊煉鐵滲碳鋼。如對湖南長沙楊家山出土的春秋晚期鋼劍的分析表明，其含碳量為0.5%左右，屬塊煉鐵滲碳鋼制品，其年代為公元前6世紀左右。   

戰國時期，我國古代熱處理的一項舉世矚目的成就是發明了鑄鐵柔化術。經大量的考古證實，我國鑄鐵的發明大約在春秋中期。迄今發掘出年代最早的鑄鐵殘片是在山西天馬——曲村晉文化墓葬中出土的。屬于戰國早期用白口鑄鐵制成的產品亦發掘出十余件。中國工匠為了克服白口鑄鐵的脆性，大約于公元前五世紀發明了適用于鑄鐵柔化處理的退火技術，在河南洛陽戰國早期灰坑出土的鐵錛，其內部組織為萊氏體，表面有約1毫米左右的珠光體帶。珠光體層的存在，使白口鑄鐵具有韌性，很明顯這是通過退火處理得到的組織。與鐵錛同坑出土還有一個鐵。這一鐵已基本繡蝕，其殘部經金相檢驗表明，其基體組織為鐵素體脫碳層，石墨組織為比較完善的團絮狀退火石墨。可以認為這是通過退火得到的展性鑄鐵。據分析其大約是經過在900℃或稍高的溫度下，進行長時間的退火，使滲碳體分解，得到團絮狀的石墨，歐洲同類型的可鍛鑄鐵的出現是在1720年之后。