Metallerin mekanik özellikleri büyük ölçüde bileşimine ve iç yapıya bağlıdır. Bileşim aynı kaldığı halde iç yapı değiştirilerek sertlik, mukavemet, süneklik, ısıl ve elektriksel iletkenlikler önemli ölçüde değiştirilebilir. İç yapıda değiştirilmesi mümkün olan etkenler tanelerin büyüklüğü ve biçimi, fazların türü ve dağılımı, iç yapı kusurlarının türü ve miktarıdır. Bu etkenler alaşımlandırma, soğuk şekil verme ve ısıl işlemlerle değiştirilebilir.
Bir metale katılan alaşım, elementlerin genellikle dislokasyon hareketlerini engeller, şekil değiştirme zorlaşır ve dolayısıyla sertlik ve mukavemet artar, süneklik azalır. Pekleşme denen bu olay soğuk dövme, haddeleme, burma ve çekme ile sağlanır. Soğuk şekil verme ile sertleşen metal ergime sıcaklığının yaklaşık yarısı düzeyinde bir sıcaklıkta yeniden tavlanırsa yeniden kristalleşme oluşur, sonuçta yumuşar ve sertlik azalır. Başlangıçta taneler küçüktür, uzun süre tavlanırsa taneler büyür, sonuçta sertlik ve mukavemet daha da azalır, süneklik önemli ölçüde artar.
Alaşım elemanlarının ana fazda erime oranları sıcaklığa bağlı olursa ve soğuma süresinde faz değişimleri meydana geliyorsa soğuma hızı iç yapı oluşumunu etkiler. Bu tür malzeme sistemlerinde iç yapıyı değiştirmek için uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemlerine ısıl işlemler denir.
Çeliklere Uygulanan Isıl İşlemler
a) Yumuşatıcı ve Artık Gerilmeleri Giderici Isıl İşlemler
Soğuk şekil verme sonucunda sertleşmiş metalleri yumuşatmak için uygulanan ısıl işleme yumuşatma tavlaması denir. Diğer taraftan üretimde sıcak haddeleme ve kaynak işlemleri sırasında homojen olmayan sıcaklık dağılımı iç yapıda artık gerilmelerin oluşumuna neden olur. Özellikle çelik yapılarda, kaynakla birleştirilen elemanlarda meydana gelecek artık gerilmeler kullanma süresinde gerilme dağılışını olumsuz yönde etkiler. Soğuk işlenmiş ve kaynaklı çelikler 600°C’ın üzerinde tavlanırsa önce artık gerilmeler, sonra ferrit fazı yeniden kristalleşir sertlik azalır ve yumuşama oluşur.
Yüksek karbonlu çeliklerde ince tabakalar ve ağ şeklinde karbür fazı çok sert olduğundan işlenmesi zordur. Bu çelikler 700°C’ta uzun süre tavlanırsa karbür fazının biçimi değişerek küresel hale dönüşür. Bu işleme küreselleştirme işlemi denir. Yumuşak ferrit fazı içinde dağılmış küresel karbürlerden oluşan çelik kolay işlenir, daha sonra suverme ile sertleştirilebilir.
b) Suverme ve Temperleme İşlemi
Yüzey merkezli kübik kafese sahip ostenit katı eriyiği dengeli soğuma sırasında 727°C’ta hacim merkezli kübik ferrite ve demir karbüre dönüşür. Bu dönüşme katı halde olduğundan belirli bir süreye gerek vardır. Eğer soğuma hızı dönüşme hızından büyük olursa karbür ataomları ayrışıp tekrar karbür oluşturmaya zaman bulamaz, demir kafesi içinde sıkışıp kalır. Sonuçta hacim merkezli tetragonal kafes meydana gelir. Rastgele dağılmış ince tabakalardan oluşan bu yapı kesilince ince iğneler şeklinde görülür. Karbonca aşırı doymuş yarı kararlı bu tek fazlı yapıya martenzit denir. Çelik için en uygun soğutma oramı sudur, bu nedenle bu işleme suverme işlemi denir. Martenzitin sertliği ve mukavemeti çok yüksek olmakla beraber çok gecrektir, çarpma ile kolayca kırılabilir. Bu nedenle ancak aşınmaya dayanıklılık istenen yerlerde kullanılabilir.
Çeliğe suverme sonucu oluşan martenzitin tokluğunu arttırmak için 300 – 350°C arasında ikinci bir tavlama uygulanır. Bu sıcaklık bölgesinde demir karbür bileşiği oluşmaya başlar, artık gerilmeler azalır, sertliğin biraz azalmasına karşın tokluk önemli ölçüde artar. Bu işleme temperleme denir. Genellikle bu ısıl işlem sonunda parça suda soğutulur, bundan dolayı piyasa dilinde çeliğe çifte suverme diye anılır. Bu sıcaklıkta çeliğin yüzeyinde oluşan oksit tabakalar mavi renk alır, bu nedenle menevişleme işlemi olarak da adlandırılır.
Çeliklerde karbon oranının sertliğe etkisi yukarıdaki grafikte açıkca görülmektedir. Martenzitin oluşmasında ana etken karbon olduğundan %0.2’den az karbon içeren çelikler suverme ile sertleştirilemez.
Basit karbonlu çeliklerde ostenit katı eriyiği perlite dönüşürken karbon atomlarının yayınım hızı oldukça yüksektir. Ancak suda çok hızlı soğutma bu yayınımı önler ve souçta martenzit oluşur. Kübik yüzey merkezli ostenit katı eriyiği hacim merkezli tetragonal martenzite dönüşürken %5,4 oranında hacim artar. Karbon oranı yüksek ve parça karışık şekilli ise suda soğutularak suverilirken çatlamalar olur. Ayrıca kalın kesitli parçaların tümü sertleşmez, iç kısım yumuşak kalır. Çeliğe katılan Ni, Cr, Mn gibi alaşım elementleri, soğuma sırasında karbon atomlarının yayınımını yavaşlatır, dolayısıyla daha mutedil bir soğutma ortamı karbonun kafes yapıda kalmasını ve martenzit oluşmasını sağlar. Uygulamada alaşımlı çelikler yağda soğutularak sertleştirilir. Yüksek alaşımlı çelikler havada soğurken bile martenzit yapı oluşur. Yağda soğutulanlara yağ çeliği, havada soğutulanlara hava çeliği denir.