钢件淬火过程中，由于钢件截面各部分冷却速度不同，而造成温度的差异，引起钢件的体积收缩的不均匀，从而导致热应力的形成。如果热应力超过钢件的屈服极限时，就会造成钢件的塑性变形。
热应力所引起的变形，往往使钢件趋向“腰鼓”形状，即直径胀大而长度缩小。钢件淬火时，钢从高温进行急剧冷却，钢的表层要比其内部的冷却速度快而发生较激烈的收缩。钢件内部由于冷却较慢，其收缩则较小，从而内部的阻碍则承受拉应力作用。此时，当拉应力超过其高温屈服强度时，表层即可发生塑性滑移变形。
假定外层温度比心部低△T，钢件直径为D，变形量为△D，热膨胀系数λ，则其相对变形量是：
△D/D=λ△T
若在此温度下的弹性系数为E，则热应力
σH=Eλ△T
λ随温度的升高而增大，E值则降低。如表层和心部的温差△T=500℃，E=150000MPa，λ=0.000019/℃，则按上式即可得出表层因急冷收缩受心部限制而产生的拉应力，σH=850MPa超过了钢件表层在该温度下的屈服极限（一般钢的高温屈服极限都低于此值），从而屈服发生了涨大的拉伸塑性变形，结果引起表面凸起。在随后的冷却过程中，内部还要发生收缩，但却受到已冷的外层的限制，所以内部呈现拉应力，表面受到压应力的作用，发生应力反转（但也不能使其变形完全恢复）。最终所发生的变形趋向于表面积缩小，即趋向于形成球形。直径大于厚度的圆盘件，则厚度增大，直径缩小，长度大于直径的圆柱件，则长度缩小，直径增大。如果将钢件加热到A1点以下的温度冷却时，由于不发生组织上的转变，则会因急冷而产生热应力。在反复加热和冷却条件下，就能由于热应力的作用使圆柱形钢件变成腰鼓状；立方体形的钢件趋向球状。
因此，热应力引起的变形是受到冷却初期表层部分的塑性拉伸变形所支配，变形倾向一一趋于球形化。
变形的大小，取决于内部应力和屈服强度之间的关系，高温强度较高的钢，其变形较小。对于这种变形来说，温度分布不均匀是其主要原因。所以
(1)冷却速度越快，变形越大；
(2)淬火加热温度越高，变形越大；
(3)钢件截面积越大，变形越大；
(4)钢的导热系数越差，变形越大。
凡属影响传热，妨碍温度均匀的加热和冷却因素，都会造成钢件变形（翘曲，几何形状的改变）。
奥氏体钢（如奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti和高锰钢Mn13等）或铁素体钢（如铁素体不锈钢Cr25、Cr28等）淬火时，便能够产生这种单纯由于热应力所引起的变形。
