球化退火工艺主要适用于共析钢和过共析钢，如高碳的工模具钢和轴承钢等。低中碳钢和一些低合金钢为了改善冷变形工艺性，有时也进行球化退火。球化退火的主要目的：①为降低硬度，获得球状珠光体的显微组织，为机械加工作准备；②为下一步的淬火、回火等热处理工艺做组织准备；③为获得良好的综合机械性能，作为材料的最终热处理工艺。

共析钢和过共析钢的工件常用的球化退火工艺：①一次球化退火工艺。将钢加热到共析转变点Ac₁以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，或者炉冷至500℃后空冷。适用于这种工艺的材料的退火前原始组织为细片状珠光体，不允许有渗碳体网存在。如果有渗碳体网存在，则应该先进行正火处理；②等温球化退火工艺。按上述温度将钢加热保温后，随炉冷却到共析转变点Ac₁温度以下10～30℃进行一段时间等温，等温结束以后随炉缓冷到500℃左右出炉空冷。这种方法具有周期短，球化组织均匀，质量易于控制等优点；③往复球化退火工艺。将钢在共析转变点Ac₁稍上和稍下的温度（每阶段保温时间为0.5～1小时）反复进行加热和冷却的方法。这种方法也具有与第2种方法相同的优点。

随着对碳化物球化机理认识的不断深入，球化退火工艺的研究也逐渐多样化。例如：利用形变以加速球化过程的工艺；脉冲电场等温球化退火工艺；在退火过程中采用超声波促进碳、铬等合金元素原子的扩散的球化工艺等。