علاوه بر آلیاژهای آهنی مانند چدن‌ها و فولادها، بسیاری از آلیاژهای غیرآهنی نیز تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند. از جمله این آلیاژها می‌توان به آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس و انواع برنزها اشاره کرد.

لازم به ذکر است که همه‌ی آلیاژهای آلومینیوم قابلیت عملیات حرارتی ندارند. تنها برخی از آن‌ها، به‌ویژه آلیاژهای خاص نوردی مانند سری 2000 (مانند 2024) و سری 7000 (مانند 7075)، و همچنین آلیاژهای ریختگی نظیر آلیاژ 356، تحت این نوع فرآیند قرار می‌گیرند. یکی از متداول‌ترین عملیات‌های حرارتی مورد استفاده برای آلیاژهای آلومینیوم، عملیات T6 است که به منظور بهبود استحکام و خواص مکانیکی انجام می‌شود.

در آلیاژهای دیگر، نظیر مس و برخی از انواع برنز، عملیات‌هایی مانند سخت‌کاری و آنیلینگ به کار می‌رود. علاوه بر این، برای آلیاژهای مس-نیکل، همچون مونل و اینکونل، عملیات‌هایی متناسب با ترکیب شیمیایی آن‌ها انجام می‌شود؛ از جمله عملیات Solution Treatment (محلول‌سازی) و Aging (پیرسختی)، که به منظور بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی نهایی آلیاژ صورت می‌گیرد.