O objetivo desta pesquisa é mostrar a aplicação da metodologia Planejamento de Experimentos (DOE), no estudo das propriedades mecânicas do arame de aço SAE 9254 trefilado, com diâmetro de 6,50mm, e submetido ao processo de têmpera e revenimento. Por meio deste estudo, foram investigadas as variáveis de entrada do processo e as suas influências buscando projetar um modelo estatístico que permitisse prever os resultados do limite de resistência à tração. Os resultados revelaram que todos os fatores estudados foram considerados influentes, no processo, e o modelo obtido foi validado, utilizando-se Análise de Variância (ANOVA). A Regressão Linear Múltipla permitiu representar o processo adequadamente, e a análise gráfica possibilitou visualizar o comportamento da resposta. As predições realizadas através da utilização do modelo poderão gerar grande impacto, na redução de custos, neste ambiente industrial, tais como: de insumos necessários para a criação de padrões de setup para o tratamento térmico de têmpera, de paradas de processo, de testes laboratoriais e de horas de trabalho de pessoal envolvido nos ensaios laboratoriais.