渗碳只能改变零件表面的化学成分。为了使零件具有外硬内韧的性能，必须在渗碳热处理后进行淬火和低温回火，以提高钢的耐心和稳定零件的尺寸。渗碳后，经常根据工件的成分、形状和力学性能选择以下热处理方法。
1）直接淬火低温回火
将零件从热处理炉中取出直接淬火，然后淬火以获得表面所需的硬度。直接淬火有两个条件:渗碳热处理后，奥氏体晶粒度在5-6级以上；渗碳层中没有明显的网状和块状渗碳体。大多数钢，如20CrMnTi，都是在渗碳后直接淬火。
预冷直接淬火低温回火
预冷的目的是减少零件的变形，这样由于渗碳体的分离，可以减少外部剩余的马氏体。预冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶体不变，预冷温度应高于Ar3，以防止铁素体从心脏中分离出来。温度过高会影响预冷过程中渗碳体的分离，增加剩余的马氏体量，增加淬火变形。
三是一次加热淬火低温回火
在室温下快速冷却渗碳件，然后从零开始加热淬火和低温回火，适用于淬火后对芯部有较好耐心要求的零件。
4）高温回火淬火低温回火
马氏体在高温回火后分化，渗层中的碳和合金成分以渗碳体的形式分离，容易在机械加工中减少马氏体，主要用于Cr-Ni合金钢零件。
5）二次淬火低温回火
将工件冷却到室温后，再进行两次淬火，然后低温回火。这是一种热处理方法，可以保证芯和表面的高性能。两次淬火有助于减少外部剩余的马氏体数量。
6）二次淬火冷暴力低温回火
又称高合金钢削减表面剩余马氏体量的热处理，多用于齿轮和轴类零件。
