Nguyên lý biến cứng bề mặt là:

Tôi là quá trình nhiệt luyện nung nóng thép lên nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh để đạt độ cứng cao. Các phương pháp tôi khác nhau chủ yếu ở cách thức làm nguội (ví dụ: tôi trong nước, tôi trong dầu, tôi phân cấp, tôi đẳng nhiệt). Nhiệt độ tôi, thời gian giữ nhiệt và phương pháp nung cũng quan trọng, nhưng yếu tố quyết định sự khác biệt giữa các phương pháp tôi chính là môi trường và tốc độ làm nguội.

Si (Silic) là nguyên tố dễ gây ra hiện tượng hạt lớn khi nung thép. Điều này là do Si có xu hướng làm giảm năng lượng bề mặt của các hạt austenite, làm chậm quá trình hóa cứng và tạo điều kiện cho các hạt phát triển lớn hơn trong quá trình nhiệt luyện.

Độ cứng Brinell (HB) sử dụng mũi đâm là bi thép có đường kính 2,5; 5 hoặc 10mm tùy thuộc vào vật liệu cần đo. Các lựa chọn khác liên quan đến độ cứng Vickers (HV) hoặc Rockwell (HRC).

C20 là loại thép carbon thấp, thường được sử dụng cho các chi tiết có tiết diện nhỏ và hình dạng đơn giản vì nó dễ gia công, hàn và có giá thành thấp. Các chi tiết kích thước lớn hoặc hình dạng phức tạp thường yêu cầu loại thép có độ bền cao hơn hoặc khả năng gia công tốt hơn.

Tốc độ tôi tới hạn là tốc độ làm nguội chậm nhất mà vẫn đạt được tổ chức hoàn toàn là mactenxit. Vật liệu có tốc độ tôi tới hạn nhỏ nhất có nghĩa là nó dễ tôi nhất, tức là chỉ cần làm nguội chậm cũng đã đạt độ cứng cao. Điều này thường xảy ra với các mác thép hợp kim cao, chứa nhiều nguyên tố hợp kim. Trong các lựa chọn trên, thép 100CrWMn có hàm lượng các nguyên tố hợp kim cao nhất (Cr, W, Mn) nên có tốc độ tôi tới hạn nhỏ nhất, tức là dễ tôi nhất.