模具通過熱處理獲得所需的工藝性能和使用性能，保證在正常服役條件下能具有一定的使用壽命。但是，如果熱處理工藝不合理或操作不當，將會產生明顯缺陷，如變形、開裂，會嚴重影響到模具鋼的組織狀態，引起模具早期失效，縮短模具壽命。
模具熱處理包括預備熱處理，如球化退火、正火、去應力回火、調質處理等。也包括最終熱處理，如淬火、回火表面強化處理等。
1.毛坯預處理工藝的影響
正確的預處理對于提高模具的承載能力和使用壽命起著積極的作用。預備熱處理的主要目的是獲得需要的加工工藝性能，為模具最終熱處理做好組織準備，其作用是消除毛坯殘存的組織缺陷，形成有利于強韌性、冷加工工藝性和減少淬火缺陷的原始組織。熱處理的關鍵一是加熱溫度的選擇，以保證碳化物充分溶解或合金元素充分固溶，二是冷卻方法（速度或等溫溫度）的選擇，以保證能獲得合適的切削硬度，使所析出的碳化物均勻分布。
鍛后退火可以去除鍛后應力，調整工件加工硬度，還可以調整碳化物的形狀和分布，退火是否主充分對模具鋼的斷裂抗力影響也很大，需要對退火工藝予以足夠重視。預處理后的組織對淬火開裂傾向及變形脹縮趨勢也有很大的影響，經試驗預處理后獲得的調質細球化體組織的變形傾向遠小于片狀珠光體組織。
鋼中不均勻分布的碳化物對模具的強度、韌性等會造成明顯損害，可以通過鍛造工藝處理再進行合適的熱處理之得以改善。如T8A鋼沖頭經碳化物微細化處理后進行低溫淬火，可顯著減少崩裂，壽命提高10倍。Cr2鋼經碳化物微細化處理后，再淬火回火到59～60HRC，其無缺口沖擊值可比普通處理提高1倍以上，可以使模具壽命提高一至數倍。采用高溫固溶處理正火消除鍛坯中的網狀二次碳化物或鏈狀碳化物，可明顯提高鋼的斷裂韌度。細化碳化物后，可使鋼的塑性及沖擊韌度值提高近1倍。
高速鋼及高鉻鋼的共晶碳化物不均勻性經高溫奧氏體化退火后，再進行等溫退火，可使大、中截面鋼材的碳化物不均勻度由8～9級變為6～7級。可顯著改善小型毛坯中碳化物的分布，特別是促進小顆粒碳化物球化和大塊碳化物棱角圓整化，并細化了晶粒，用于冷鐓模可使壽命提高1倍以上。
奧氏體晶粒超細化預處理可全面改善模具鋼的強度、韌性及抗壓強度。W6Mo5Cr4V2鋼超細化處理后晶粒度由常規等溫處理到10極提高到12極，抗彎強度提高了近20%。9SiCr鋼制滾絲模經超細化預處理后，晶粒度從常規處理后的8～9級細化為13～14級，抗彎強度提高30%，斷裂撓度上升40%，服役壽命提高1倍以上。
2.最終熱處理工藝的影響
最終熱處理的關鍵是淬火工藝的制定。由于熱處理工藝或操作不當導致模具早期失效的數量約占模具失效總數的60%左右。熱處理加熱溫度的高低、保溫時間的長短、冷卻速度的快慢和爐內氣氛等工藝參數的選擇不當，都會造成模具淬火開裂或早期失效。模具在熱處理過程中應保證加熱均勻，冷卻均勻，并應防止模具表面產生氧化和脫碳，淬火后應及時、充分回火，以提高模具硬度的均勻性，從而獲得良好的耐磨性和高的疲勞抗力或高的冷熱疲勞壽命。
淬火溫度如果過高，會使奧氏體晶粒長大，大量碳化物溶入基體，淬火后出現粗針馬氏體，增加了模具熱處理應力，使模具變脆，服役中容易出現開裂、崩刃、折斷等問題。如冷作模具鎮流器引伸模，由走私為150mm的CrWMn鋼的棒材鍛造后加工成形，熱處理淬火溫度為840～850℃，油冷淬火。當該模具沖壓400件產品時發生斷裂，經調查，是由于控溫儀表失靈，使模具淬火加熱溫度高達870℃，造成淬火后得到粗大馬氏體，使模具脆性增加。又由于有大量殘留奧氏體，使鋼材熱導率下降，在磨削加工容易形成磨削裂紋，致使模具在服役過程中磨削裂紋迅速擴展而導致開裂。
淬火溫度如果過低，則不能保證足夠的合金元素固溶于基體之中，致使鋼的淬透性下降，回火穩定性降低，模具硬度降低，同時降低鋼的高溫強度、組織穩定性及冷熱疲勞抗力，造成模具產生塌陷、變形和磨損，導致模具的使用壽命降低。
淬火冷卻是淬火后能否獲得需要的組織性能的決定性因素。如果冷卻過快或油溫過低，易出現淬火裂紋，將會嚴重縮短疲勞壽命，甚至引發早期斷裂。若冷卻速度太慢將發生非馬氏體型轉變，同樣會對模具壽命造成不良影響。對于碳素鋼和低合金鋼，因淬透性較差，必須采用冷卻速度較大的油冷或水冷才能獲得預期的效果。合金鋼的淬透性高，可采用油冷淬火或空冷。對于大型模具，尤其是模壁較厚的部位，中心區域冷卻速度較慢往往得不到馬氏體組織，會使碳化物或雜質元素沿晶析出或偏聚，形成“黑色晶界”，增加模具脆性，服役中會和造成模具脆性斷裂。
模具的硬度影響著模具的強度及耐磨性等性能，但硬度提高往往使模具的塑性和韌性下降。模具發生早期失效大部分是由于工作硬度過高，損失了韌性而導致早期斷裂；少部分是由于工作硬度過低而呈現早期變形或磨損。對于不同的模具，有其自身的最佳強韌性配合狀態，應對模具的壽命、失效形式、主要影響因素進行分析后，找出硬度及韌性等方面的最佳配合。
例如T10A鋼沖頭在軟質硅鋼片上沖小孔，僅沖幾千片就因毛刺過大而失效。如將沖頭硬度從56～58HRC提高到60～62HRC，則壽命可提高到2～3萬次，再繼續提高硬度，則由于韌性不足容易出現早期斷裂，使壽命降低。用3Cr2W8V鋼制熱擠壓模，硬度為45～50HRC時容易出現早期斷裂，硬度降到38～40HRC時，不再出現早期斷裂，平均壽命明顯提高。
另外，最終熱處理中的回火也是重要工序。首先模具回火要充分，高合金模具一般要求回火兩次以上，這是因為鋼中的殘留奧氏體在回火冷卻過程中會轉變為回火馬氏體，經兩次以上回火可以使殘留奧氏體充分轉變。否則，將在模具中殘留較大的淬火應力，降低模具韌性，使模具易發生早期斷裂。為縮短工時，提高設備利用率，回火時間可適當縮短些。
加熱過程中對工件的保護不到位引起的脫碳或過過保護造成的表面增碳，都會造成工件的壽命降低。表面過度增碳將使材料的韌性下降，熱疲勞抗力降低，增加了崩刃、脆斷的傾向，使裂紋擴展速度增加。冷作模具表面增碳后，主要出現崩刃、脆斷等失效形式。用3Cr2W8V、5CrNiMo鋼制作的模具，采用氣體滲碳爐或固體滲碳劑保護加熱淬火，易形成表面增碳層，厚度為0.5～1.0mm，含碳量ωc可達到0.7%～1.0%，導致早期熱疲勞龜裂。
脫碳是模具淬火加熱過程中最常見的表面缺陷，加熱溫度低于800℃的木碳、未充分脫氧的鹽浴、未高度凈化的分解氨氣及氫氣，都不能保證模具表面不發生脫碳。脫碳層強度低、耐磨性差、易產生微裂紋，如未經去除，則會降低模具耐磨性及疲勞抗力。3Cr2W8V鋼熱沖模在高溫箱式爐內加熱淬火時，為了防止氧化脫碳，操作者采用舊固體滲碳劑保護，引起了表面滲碳，淬火前為了清除滲碳劑，在空氣中作了短時間停留則又引起表面脫碳，在滲碳層外面形成鐵素體組織。沖模在服役過程中，由于表面脫碳，強度低，使沖頭表面產生強烈磨損，而脫碳層下面的增碳層降低了鋼的熱導率，使模具內外溫度梯度加大，增加了熱應力和熱應變，溝槽處成了熱疲勞裂紋的起源，導致沖模早期失效。
4Cr5MoSiV1是制作大、中型鋁合金壓鑄模的最佳材料，即使脫碳層極薄，也明顯影響疲勞抗力。用此材料制作的鋁合金壓鑄模至少壓鑄上萬次后才出現熱疲勞裂紋。曾有一套上述模具僅壓鑄2000次就出現了早期熱疲勞而失效，對熱疲勞裂紋處模截面進行金相分析，發現表面存在0.1mm厚的貧碳層，距表面0.05mm處硬度為362HV，0.10mm處硬度為386HV，0.15mm處硬度為412HV，0.2mm處硬度為426HV。
