鋼件淬火過程中，由于鋼件截面各部分冷卻速度不同，而造成溫度的差異，引起鋼件的體積收縮的不均勻，從而導致熱應力的形成。如果熱應力超過鋼件的屈服極限時，就會造成鋼件的塑性變形。

熱應力所引起的變形，往往使鋼件趨向“腰鼓”形狀，即直徑脹大而長度縮小。鋼件淬火時，鋼從高溫進行急劇冷卻，鋼的表層要比其內部的冷卻速度快而發生較激烈的收縮。鋼件內部由于冷卻較慢，其收縮則較小，從而內部的阻礙則承受拉應力作用。此時，當拉應力超過其高溫屈服強度時，表層即可發生塑性滑移變形。

假定外層溫度比心部低△T，鋼件直徑為D，變形量為△D，熱膨脹系數λ，則其相對變形量是：

△D/D=λ△T

若在此溫度下的彈性系數為E，則熱應力

σH=Eλ△T

λ隨溫度的升高而增大，E值則降低。如表層和心部的溫差△T=500℃，E=150000MPa，λ=0.000019/℃，則按上式即可得出表層因急冷收縮受心部限制而產生的拉應力，σH=850MPa超過了鋼件表層在該溫度下的屈服極限（一般鋼的高溫屈服極限都低于此值），從而屈服發生了漲大的拉伸塑性變形，結果引起表面凸起。在隨后的冷卻過程中，內部還要發生收縮，但卻受到已冷的外層的限制，所以內部呈現拉應力，表面受到壓應力的作用，發生應力反轉（但也不能使其變形完全恢復）。最終所發生的變形趨向于表面積縮小，即趨向于形成球形。直徑大于厚度的圓盤件，則厚度增大，直徑縮小，長度大于直徑的圓柱件，則長度縮小，直徑增大。如果將鋼件加熱到A1點以下的溫度冷卻時，由于不發生組織上的轉變，則會因急冷而產生熱應力。在反復加熱和冷卻條件下，就能由于熱應力的作用使圓柱形鋼件變成腰鼓狀；立方體形的鋼件趨向球狀。

因此，熱應力引起的變形是受到冷卻初期表層部分的塑性拉伸變形所支配，變形傾向——趨于球形化。

變形的大小，取決于內部應力和屈服強度之間的關系，高溫強度較高的鋼，其變形較小。對于這種變形來說，溫度分布不均勻是其主要原因。所以

(1)冷卻速度越快，變形越大；

(2)淬火加熱溫度越高，變形越大；

(3)鋼件截面積越大，變形越大；

(4)鋼的導熱系數越差，變形越大。

凡屬影響傳熱，妨礙溫度均勻的加熱和冷卻因素，都會造成鋼件變形（翹曲，幾何形狀的改變）。

奧氏體鋼（如奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti和高錳鋼Mn13等）或鐵素體鋼（如鐵素體不銹鋼Cr25、Cr28等）淬火時，便能夠產生這種單純由于熱應力所引起的變形。