Unter thermischer Prozessführung versteht man alle gezielten Temperatur-Zeit-Behandlungen von Werkstoffen, mit denen deren Mikrostruktur und damit die makroskopischen Eigenschaften eingestellt werden. Dazu zählen u.a. Wärmebehandlungen von Metallen (Austenitisieren, Abschrecken, Anlassen), Sinter- und Glühprozesse keramischer Systeme sowie thermische Zyklen bei Polymeren und Verbundwerkstoffen.

Zentrale Steuergrößen sind Heizraten, Haltezeiten, Prozesstemperaturen, Atmosphäre und Abkühlraten. Die Heizrate beeinflusst Diffusionskinetik, Phasenumwandlungen und Ausscheidungsprozesse; hohe Raten können metastabile Phasen konservieren, niedrige Raten fördern Gleichgewichtszustände. Die Abkühlrate steuert u.a. Martensitbildung, Ausscheidungshärtung und Eigenspannungszustände.

Die zugrundeliegende Wärmeübertragung (Leitung, Konvektion, Strahlung) bestimmt Temperaturgradienten im Bauteil und damit Spannungsbildungs- und Rissrisiken. Eine präzise Auslegung von Ofentechnik, Werkzeugen und Kühlmedien ist essenziell, um homogen temperierte Zonen zu erzeugen und thermische Spannungen zu minimieren.

Ein spezieller Aspekt ist das thermische Durchstechen (z. B. bei Aluminium- und Stahlprofilen), bei dem Temperaturverläufe so geführt werden, dass lokale Umform- oder Durchdringvorgänge ohne unzulässige Gefügeschädigung möglich sind. Insgesamt koppelt die thermische Prozessführung Thermodynamik, Kinetik und Mechanik; ihre Auslegung erfolgt zunehmend modellgestützt mittels numerischer Simulation und in‑situ‑Charakterisierung.