碳素工具钢常用淬火加热温度一般在770-790℃之间，淬火介质多数采用水及水溶液。作为工具用的碳素工具钢，要求回火后的硬度为HRC61-64；作为模具，要求回火后的硬度为HRC54-60。低温淬火工艺是把正常的淬火加热温度压低20-30℃，获得体积分数为50%以上的板条马氏体的淬火组织，孪晶马氏体也较细，提高模具的韧度，但淬硬层太薄。低温淬火工艺只有与碳化物超细化处理相结合，才可以显著提高模具钢的强韧性。对于尺寸较大的碳素工具钢工模具，淬火加热温度可提高20-40℃，以增加淬硬层深度，然后配以分级或等温淬火，以减少锻件畸变和开裂倾向。
正常淬火组织为均匀分布的粒状碳化物+隐针或细针马氏休+残留奥氏体。T7、T8钢淬火组织中剩余碳化物很少，或者完全没有，因此其耐磨性也较差。ZBJ 36003—1987《工具钢热处现金相检验标准》中第十二、第十三级別图，把高碳钢淬火马氏体依其针长分为6个级别。
精密的小型工模具，马氏体小于2级为好，一般工模具的合格级别可以放宽到3-4级。检验时，采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀抛光面，马氏体针呈灰白色，针与针之间没有黑白差，不易分辨，残余奥氏体也分辨不清。分级淬火的马氏体组织有针与针之间的黑白差，先形成的马氏体在等温分级时被回火，金相磨面被侵蚀后呈黑色。从分级温度冷却到室温时形成的马氏体未被回火，金相磨片被侵蚀后呈灰白色。
高碳钢选择在140-200℃之间回火，工具回火选下限，模具回火选上限。观察回火试样磨片时，所有回火马氏体都侵蚀变黑，残余奥氏体应呈灰白色（与回火马氏体相比，它不容易接受侵蚀，但比马氏体容易接受侵蚀），但因面积太小，数量也不多，在淬火或回火组织中都不易被分辨。观察到的正常回火组织为黑色回火马氏体基体上均匀分布着白色颗粒状剩余碳化物。T12钢820℃加热，160℃分级淬火，200℃回火后的组织如果回火不足，黑色基体的色泽不均匀，可能出现灰黄色斑块。
工模具表面的淬硬层一般只有1.5-5mm。在淬硬层内侧，在马氏体基体上出现屈氏体网，沿原奥氏体晶界分布，容易被侵蚀变黑，愈深入内部数量愈多，灰白色细针马氏体上分布着黑色屈氏体网和白色剩余碳化物，剩余碳化物呈短条状，有时呈断续的半网状分布，锻件形状和分布都不太理想。淬硬层终止于体积分数为50%的马氏体处。
对于小型精密工具和仪表元件用的冷冲模具，均可采用等温淬火工艺。例如，T10钢冲裁模，780℃加热水冷淬火后，300℃回火，硬度大于HRC55，由于韧度不足而断裂。改用280℃等温淬火后，硬度为HRC53.5-55,韧度改善，使用寿命提高了3倍。
T10钢的等温淬火姐织，该组织是850℃加热，250℃等温5min,冷却到室温后的组织。黑针是下贝氏体 针，灰白色背景是马氏体和残余奥氏体，还有一些白色未溶碳化物。等温淬火采用的加热温度要适当提高，否则淬硬层太浅。但温度又不宜过高，否则极易出现软点。所形成的软点组织是屈氏体、贝氏休、马氏体、残余奥氏体和残余碳化物的混合组织。由于加热温度较高，所以，此时的贝氏体针和马氏体都比较粗长， 残余奥氏体也比较明显，残余碳化物则很少。
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