Demir esaslı malzemeler sıcaklığa bağlı olarak, çok farklı özellikte değişik kristal yapılara sahiptirler (allotropluk). Ayrıca ostenit sıcaklığından hızlı soğutulmaları halinde aşırı soğuma görülür; yani ostenitin dönüşümü düşük sıcaklıklarda, karbon ve diğer alaşım elementleri için güçleşen yayınma koşulları altında gerçekleşir. Ortaya çıkan içyapı, dönüşüm sıcaklığı ve bu sıcaklıktaki yayına hızı ile yakından ilişkilidir. Böylece allotropluk ve kuvvetli aşırı soğuma eğilimi, özellikleri ısıl yöntemlerin demir dışı metal malzemelere göre daha çeşitli ve etkin olmasını sağlar.
İç yapı ve özellikler bakımından belirli bir durumu elde etmek üzere, malzemenin solidüs sıcaklığının altında uygun sıra ve süre ile ısıtılıp soğutulmasına ısıl işlem denir. İşlem sırasında ortamın etkisiyle, örneğin karbonlama ve nitrürlemede olduğu gibi, çeliğin kimyasal bileşimi de değişebilir.
Çeliklerin ısıl işlemleri başlıca şu amaçlarla uygulanır:
Talaşlı işlenebilme özelliği iyileştirilir (yumuşatma, tane irileştirme).
Dayanım artırılıp azaltılabilir(sertleştirme, normalleştirme, yumuşatma),
Soğuk şekil vermenin etkisi yok edilebilir (yeniden kristalleştirme, normalleştirme).
Mikro segregasyon ortadan kaldırılabilir (homojenleştirme),
Tane büyüklüğü değiştirilebilir (normalleştirme, yeniden kristalleştirme, tane irileştirme),
İç gerilmeler azaltılabilir (gerilme giderme),
Belirli içyapılar elde edilebilir (normalleştirme, yumuşatma, sertleştirme).
Söz konusu ısıl işlemler genel olarak iki ana grupta toplanabilir:
Tavlama ve sertleştirme
Tavlama ile içyapının kararlı denge durumuna yaklaşması sağlanır (soğutma yavaş yapılır). Sertleştirmede ise ostenit, çeliğin bileşimine bağlı bir minimum hızın altına inilmeyecek şekilde soğutularak yarı kararlı bir iç yapı (martenzit) oluşturulur.
Tav işlemleri de kendi aralarında tekrar iki gruba ayrılır:
1. Tür Tav işlemleri: İç yapı değişikliklerine neden olsalar bile, öncelikle belir-li özelliklerin elde edilmesine yöneliktirler(homojenleştirme, tane irileştirme, gerilme giderme, yeniden kristalleştirme işlemleri).
2. Tür Tav işlemleri: Bunlarda temel amaç belirli içyapı durumlarına ulaşmaktır (yumuşatma, normalleştirme işlemleri).
Sıcaklık Zaman Diyagramı
Her ısıl işlem en az, belirli bir sıcaklığa ısıtma, bu sıcaklıkta tutma, soğutma aşamalarını içerir
İstenilen sıcaklığa ısıtmada iki yöntem vardır: Isı parça ya bir dış kaynaktan taşınır (temas veya radyasyon yoluyla) ve ısı parçada oluşturulur (doğrudan elektrik akımı geçirme veya indüksiyon yoluyla).
Isının dıştan verilmesi halinde parçanın merkezi yüzeyinden daha geç ısınır. Bu iki sıcaklığın farkı ve eşitlenme süresi aşağıdaki koşullarda artar: Isıtma hızı yüksek, malzemenin ısı iletim katsayısı düşük ve parça kalınlığı fazla.
Ekonomik açıdan parçanın olabildiği kadar hızlı ısıtılması istenir. Ancak bu durumda iç ve dış kısımlar arasındaki sıcaklık farkı büyük olacağından çarpılma ve çatlama tehlikesi doğar. Isıl işlemlerin çoğunda ısıtma ve soğutma sırasında faz dönüşümleri meydana gelir. Bunların yarattığı ek gerilmeler de çatlamayı kolaylaştırır. Dolayısıyla özellikle kalın ve karmaşık biçimli parçalar müsaade edilenden daha hızlı ısıtılmamalıdır. Az alaşımlı çelikten yapılmış 600 mm çapındaki bir türbin mili yaklaşık 50 oC hızla ısıtılır. Bu örnekten de görüldüğü üzere, üretim kademelerinden biri olan ısıl işlem parça maliyetini önemli ölçüde artırabilir. Basit şekilli parçalarda doğrudan ısı üretimiyle yüksek ısıtma hızlarına ulaşmak mümkündür.
Dıştan ısıtmadaki gibi soğutma sırasındaki hız da fiziksel bakımdan belli bir değeri aşamaz, parça kalınlığı ve ısı iletim katsayısı ile sınırlıdır. Öte yandan yüksek soğuma hızının, iç ve dış kısımlar arasında doğacak sıcaklık farklarından ötürü, çarpılma veya çatlamaya yol açabileceği unutulmamalıdır. Söz konusu ini gerilmelere, özellikle martenzit oluşumu dolayısıyla dönüşüm gerilmeleri de ekleniyorsa, soğuma hızının dönüşüm sıcaklıklarında mümkün olduğu kadar düşük tutulması gerekir.
