عملیات حرارتی به فرایندهایی گفته می شود که روند تغییر طبیعی ساختار فلزات را در جریان سرد یا گرم شدن متوقف می کند یا آن را تغییر می دهد. برخی اوقات، عملیات مکانیکی یا شیمیایی را به عنوان زیر مجموعه ای از عملیات حرارتی طبقه بندی می کنند. عملیات حرارتی متداول عبارتند از: بازپخت، آب دادن ، آبگیری و سختکاری پوسته ای.

بازپخت (آنیل)

هنگامی که یک ماده تحت سردکاری یا گرم کاری قرار می گیرد، تنشهای پسماند در آن بوجود می آید و سختی آن نیز افزایش می یابد. این عملیات ساختار ماده را تغییر می دهد به گونه ای که نمودار تعادل فازها دیگر نمی تواند نشان دهنده ساختار ماده باشد بازپخت کامل و یکنواخت سازی ، عملیات حرارتی هستند که به ماده امکان می دهند بر اساس نمودار تعادلی فازهای خود را تغییر دهد. در باز پخت یک ماده، آن را تا دمایی که تقریبا 100° فارنهایت بیش از دمای بحرانی است حرارت میدهند سپس در این دما آنقدر نگه می دارند تا کربن زمان کافی برای حل شدن و نفوذ در ساختار ماده را پیدا کند. پس از این اجازه می دهند که ماده به آرامی سرد شود که این کار معمولا با خاموش کردن کوره ای که در آن عملیات حرارتی انجام می صورت می گیرد. چنانچه فرایند تبدیلات فازی کامل انجام شود آن را بازپخت کامل گویند. عملیات بازپخت معمولا برای نرم کردن ماده، افزایش قابلیت شکل پذیری، آزاد کردن تنشهای پسماند و بهبود دانه بندی آن بکار می رود.

یکنواخت سازی حالت خاصی از فرایند بازپخت است. در حالت یکنواخت سازی، قطعه تا دمایی اندکی بیش از آنچه در حالت بازپخت کامل داشتیم حرارت داده می شود. این عمل فولادی با دانه بندی درشت تر بدست می دهد که در صورت استفاده از فولادهای کم کربن، قابلیت ماشینکاری بهتری خواهد داشت. در فرآیند یکنواخت سازی، قطعه در هوای ساکن و دمای اتاق خنک می شود. از آنجا که این نوع خنک کردن به مراتب سریعتر از حالت بازپخت کامل است، زمان کمتری برای برقراری تعادل خواهیم داشت و ماده حاصل نسبتا سخت تر خواهد بود. یکنواخت سازی معمولا به عنوان عملیات پایانی برای ساخت قطعات فولادی بکار می رود. خنک سازی در هوای ساکن مشابه عملیات آبدهی آرام است.

آبدهی (کوئنچ)

فولاد اوتکتوئید با بازپخت کامل، تماما دارای ساختار پرلیتی است که از آستنیت در شرایط تعادل بدست می آید. ساختار یک فولاد هیپواوتکتوئید با بازپخت کامل شامل پرلیت و فریت است، حال آنکه ساختار یک فولاد هایپراوتکتوئید با بازپخت کامل متشکل از پرلیت و سمنتیت است. سختی یک فولاد با درصد معین کربن بستگی به ساختاری دارد که در هنگام بازپخت ناقص جانشین ساختار پرلیتی می شود.

چنانچه نرخ سرد کردن سریعتر از حد معمول باشد به همان میزان بازپخت ناقص خواهد بود. نرخ سرد کردن تعیین کننده میزان سختی فولاد است. هنگامی که نرخ سرد کردن کنترل شده باشد به آن آب دهی می گویند. یک آبدهی ملایم از سرد کردن قطعه در هوای ساکن بدست می آید و همانگونه که دیدیم معادل فرایند یکنواخت سازی است. دو محیط متداول که بیش از همه برای آبدهی قطعات بکار می رود، آب و روغن است. سرعت آب دهی با روغن بسیار پایین است، اما در عوض از پیدایش ترکهای ناشی از انبساط سریع در قطعه جلوگیری می کند. برای آب دهی فولادهای کربنی، فولادهای با کربن متوسط و فولادهای کم الیاژ معمولا از آب استفاده می کنند.

هنگامی که آستنیت خنک می شود بطور آنی به پرلیت تبدیل نمی گردد بلکه برای شروع و کامل شدن این فرایند نیازمند زمان است. این عاملی است که اثربخشی آب دهی به آن بستگی دارد. از آنجا که فرایند تبدیل فازی در دمای 800 درجه فارنهایت پایان میگیرد می توان برای جلوگیری از این تبدیل، قطعه را به سرعت تا دمایی پایین تر خنک کرد. هنگامی که قطعه را به سرعت تا دمای 400° فارنهایت یا پایین تر از آن خنک کنیم، آستنیت به ساختاری موسوم به مارتنزیت تبدیل می شود. مارتنزیت یک محلول جامد فوق اشباع از کربن در فریت است که مستحکم ترین نوع فولاد می باشد.

اگر فولاد به سرعت تا دمایی بین 400تا 800° فارنهایت خنک شود و به مدت کافی در این دما بماند، آستنیت به ماده ای به نام بینیت تبدیل می شود. بینایت ساختاری بین پرلیت و مارتنزیت است. گرچه در محدوده دمایی بالا ساختارهای متعددی می تواند وجود داشته باشد، اما در مجموع همه آنها را بینیت گویند. بسته به یک دمای خاص در این محدوده، نوع ساختار فولاد می تواند تفاوت داشته باشد که از پرلیت دانه درشت آغاز و به مارتنزیت دانه ریز ختم می شود.

آبگیری(تمپرینگ)

قطعات فولادی که کاملا سخت شده اند دارای قابلیت شکنندگی بالا و تنشهای پسماند زیادی هستند. ساختار این نوع فولاد به علت ناپایداری، تمایل زیادی به پیر شدن دارد. این تمایل هنگامی که قطعه تحت بارهای خارجی باشد افزایش می یابد، زیرا تنشهای حاصل به این ناپایداری کمک می کنند. این تنشهای داخلی را می توان به کمک عملیات حرارتی دهی موسوم به آبگیری آزاد کرد. پس از اینکه قطعه با آب دهی کامل تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی کاملا سخت شد، دوباره تا دمایی زیر دمای بحرانی حرارت داده می شود و پس از باقی ماندن در این دما برای زمانی مشخص، آن را در هوای ساکن خنک میکنند. دمای حرارت دهی بستگی به ترکیب و درجه سختی یا چقرمگی مورد نظر ما دارد. عملیات گرم کردن مجدد موجب آزاد شدن کربن محبوس در مارتنزیت و شکل گیری بلورهای کاربیدی می شود. در این حالت، ساختار فولاد حاصل را مارتنزیت آبگیری شده گویند که شامل توزیع فوق العاده ریز کاربیدهای آهنی در فریت ریزدانه است.

تغییر رنگ فولاد براساس دما

سختکاری پوسته ای

منظور از سختکاری پوسته ای سخت کردن سطح خارجی قطعاتی از فولاد کم کربن است در عین اینکه هسته داخلی شکل پذیری و چقرمگی خود را حفظ کند. این کار را با افزایش میزان کربن سطح قطعه انجام می دهند. برای این منظور یکی از روشهای کربن دهی جامد، مایع یا گازی بکار گرفته می شود. در این فرایند، قطعه را در یک ماده کربن دهنده در دما و مدت زمان معینی که بستگی به عمق مورد نظر پوسته و جنس قطعه دارد قرار می دهند. سپس قطعه را بلافاصله آبدهی می کنند و پس از آن عملیات آبگیری را بر روی آن انجام می دهند، یا در بعضی موارد به منظور اطمینان از قرار داشتن هسته و پوسته در شرایط مناسب، دوباره بر روی آن عملیات حرارتی انجام می دهند. برخی از پرکاربردترین فرایندهای سختکاری پوسته ای عبارتند از : کربن دهی جعبه ای، کربن دهی گازی، نیتروژن دهی، سیانوردهی، سختکاری القایی و سختکاری شعله ای. در دو مورد آخر، کربن به فولاد مورد نظر اضافه نمی شود و معمولا فولاد مورد استفاده، یک فولاد کربن متوسط مانند 1114 SAE / AISI است.