中碳鋼經調質、淬火、回火熱處理后性能會產生一系列的變化，熱處理方式有調質、淬火后低溫回火、高頻淬火后低溫回火、等溫淬火和淬火后中溫回火。
1、調質處理組織為回火索氏體，這種組織具有良好的綜合力學性能，強度較高，塑性和韌性良好。調質用鋼要具有良好的淬透性，以保證調質件整個截面上組織和性能均勻。與合金鋼相比，碳素鋼的淬透性較差，所以只適于截面尺寸不大的中碳鋼零件進行調質處理。 2、淬火后低溫回火處理：組織為回火馬氏體，這種組織具有很高的強度和適當的塑性和韌性。
3、高頻淬火后低溫回火。高頻淬火層組織為極細的隱針馬氏體，低溫回火后得到回火馬氏體，經這種處理可以得到與滲碳處理類似的效果。高頻淬火前一般進行調質或正火。所以高頻淬火和回火后，零件心部強度較高，塑性和韌性良好，而其表層硬度高，耐磨性好。另外，高頻淬火件表層產生壓應力，其疲勞極限高，使用壽命長。 4、等溫淬火處理。組織為貝氏體，這種組織具有較高的強度和良好的塑性和韌性。(5)淬火后中溫回火。組織為回火索氏體。
       中碳鋼屬于亞共析鋼，其退火組織為珠光體和鐵素體。隨著鋼中碳含量增加，組織中珠光體數量增加，而鐵素體數量減少。碳含量大于0.40%的鋼淬火組織為馬氏體;碳含量大于0.40%時，除了馬氏體外還有少量殘留奧氏體，殘留奧氏體數量隨著鋼中碳含量的增加而增加。中碳鋼在最終熱處理之前有的進行正火作為預先熱處理，其目的是細化晶粒，減輕鋼中組織不均勻性，得到均勻的珠光體和鐵素體組織，為最終熱處理作組織準備。
       中碳鋼經調質處理后，主要用于制作各種傳動軸、連桿、離合器、軸銷、螺栓等。中碳鋼經高頻淬火和低溫回火后，用于受沖擊載荷且要求耐磨的齒輪、車床主軸、花鍵軸、凸輪軸和半軸等。正火狀態或不經熱處理的中碳鋼，用于制作負荷不大的拉桿、套筒、緊固件、墊圈和手柄等。碳含量較高的中碳鋼用于制作彈簧和鋼絲等。