Isıl işlem, katı haldeki metal veya alaşımlara istenilen özellikleri kazandırmak amacıyla bir veya daha çok sayıda, yerine göre birbiri ardına planlanarak uygulanan kontrollü ısıtma ve soğutma işlemleri olarak tanımlanır. Çeliğe uygulanan bütün temel ısıl işlemler demir-sementit denge diyagramında yer alan östenit fazının dönüşümü ile ilgilidir. Bir başka deyişle bir çeliğin fiziksel ve mekanik özellikleri içerdiği dönüşüm ürünlerinin cinsine, miktarına ve metalografik yapısına bağlıdır.    

Çeliğin ısıl işlemine östenitleştirme ile başlanır. Östenitleştirme işlemi için malzeme alt kritik sıcaklık çizgisinin (Ac1) üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Çarpılmaları önlemek adına soğuk şekil değişimine tabi tutulan yani aşırı ölçüde iç gerilim içeren malzemelerin, gerilim içermeyen malzemelere göre daha yavaş ısıtılması gerekir. Ayrıca kesit değişikliği gösteren parçaların ısıtılması sırasında ince ve kalın kesitlerde ısınma veya sıcaklık artış hızları arasındaki farkların da dikkate alınması gerekir. Sıcaklık etkisiyle herhangi bir çarpılma meydana gelmemesi için parçanın ince kısımları kalın kısımlarına göre daha yavaş ısıtılmalıdır. Isıl işlem sırasındaki hasar riskini azaltmak için çelik parçalar genelde yavaş ısıtılır.    

Bazı Tavlama İşlemleri;    

1.    Yumuşatma Tavlaması ( Soft Annealing +A )    
2.    Küreselleştirme Tavlaması ( Spheroidized Annealing +AC )    
3.    Normalizasyon Tavlaması ( Normalizing +N )    
4.    Gerilim Giderme Tavlaması ( Stress Relieving +SR )    
5.    Su Verme Sertleştirmesi ( Quenching +Q )    
6.    Temperleme ( Tempering +T )    

Bazı Sertleştirme İşlemleri;    

1.    Islah İşlemi ( Quenching and Tempering +QT )    

Bazı yüzey sertleştirme işlemleri;    

1.    Sementasyon ( Case Hardening )    
2.    Nitrasyon ( Nitration Hardening )    
3.    İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme ( Induction Surface Hardening )    
4.    Alevle Yüzey Sertleştirme ( Flame Surface Hardening )    

Isıl işlem yapılacak çelikleri yapılarında içerdikleri karbon oranına göre iki grupta toplayabiliriz.    

1.    Ötektoid altı çelikler ( %C < 0,8 )    
2.    Ötektoid üstü çelikler ( %C > 0,8 )    

Genel anlamda istenilen yapısal, fiziksel ve mekanik özellikleri elde etmek ve talaş kaldırmayı veya soğuk şekillendirmeyi kolaylaştırmak amacıyla metal malzemelerin uygun sıcaklıklara kadar ısıtılıp, gerekli değişiklikler elde    edilinceye kadar bu sıcaklıkta tutulması ve sonradan yavaş soğutulması işlemine tavlama denir.    

1.     Yumuşatma Tavı ( Soft Annealing )    

Yumuşatma tavının bilimsel ve teknolojik anlamdaki tanımı ise sertliği azaltmak, talaş kaldırmayı kolaylaştırmak,döküm ve dövme parçalarındaki iç gerilmeleri gidermek amacıyla ötektoid altı çeliklerde Ac3, ötektoid üstü çelikleri de Ac1 çizgilerinin üzerindeki belirli sıcaklıklara kadar ısıtıp, içyapılarını östenite dönüştürdükten sonra fırın içerisinde tutarak    çok yavaş soğutma işlemidir. Bu işlemin amacı tane boyutunu küçültmek ve bazı çeliklerin elektrik ve manyetik özelliklerini    iyileştirmektir.    
Yumuşatma Tavlaması +A simgesi ile gösterilir.    

2.     Küreselleştirme Tavı ( Spheroidized Annealing )    

Küreselleştirme tavı, daha çok yüksek karbonlu çeliklere uygulanır. Düşük karbonlu çelikler nadiren küreselleştirme    tavına tabi tutulurlar. Çünkü; bu tür çelikler küreselleştirme tavı sonunda çok yumuşarlar ve bu aşırı yumuşama talaşlı işlem sırasında bazı zorluklar doğurur. Orta karbonlu çelikler ise yeterli ölçüde süneklilik kazanmaları için plastik şekil verme işleminden önce, bazen küreselleştirme tavına tabi tutulurlar. Küreselleştirme tavı sırasında tavlama süresinin iyi ayarlanması gerekir. Eğer çelik, gereğinden daha uzun süre tavlanırsa sementit parçacıkları birleşerek uzama gösterirler ve bu durum çeliğin işlenme kabiliyetini olumsuz etkiler. Küreselleştirme tavı, çelikleri Ac1 sıcaklık çizgisi civarında uzun süre tuttuktan ve bu bölgede salınımlı olarak tavladıktan sonra, yavaş soğutma ile karbürlerin küresel şekle dönüştürülmesi işlemidir. Bu işlem, ostenitleştirmeden sonra    
kontrollü soğutma ile de yapılabilir.Yumuşatma tavı işleminde belirtildiği gibi, tavlanmış durumdaki ötektoid üstü çelikler iç yapılarında sert ve gevrek sementit tanelerinin bulunması nedeniyle işlenmeye elverişli değildir. Bu tür çeliklerin işlenmesini kolaylaştırmak ve sünekliğini artırmak amacıyla da küreselleştirme tavı kullanılır.Küreselleştirme Tavlaması +AC simgesi ile gösterilir.    

3.     Normalizasyon Tavı ( Normalizing )    

Normalizasyon tavı genellikle tane küçültmek, homojen bir içyapı elde etmek ve çoğunlukla mekanik özellikleri iyileştirmek amacıyla ötektoid altı çelikleri Ac3, ötektoid üstü çelikleri Acm dönüşüm sıcaklıklarının yaklaşık 40-50 ºC üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtıp, tavladıktan sonra fırın dışında sakin havada soğutma işlemi olarak tanımlanmaktadır.    
Normalizasyon işleminin belli başlı amaçları;    
a)    Tane boyutunu küçültmek.    
b)    Homojen bir iç yapı elde etmek,    
c)    Ötektoid üstü çeliklerde tane sınırlarında bulunan karbür ağını dağıtmak,    
d)    Çeliklerin işlenmesini kolaylaştırmak ve mekanik özelliklerini iyileştirmek,    
e)    Yumuşatma tavına tabi tutulan çeliklerin sertlik ve mukavemetini artırmak.    
Normalizasyon işleminde soğutma fırın dışında ve sakin havada yapıldığı için soğuma hızı nispeten yüksek olur. Genelde, soğuma hızı arttıkça östenitin dönüşüm sıcaklığı düşer ve daha ince perlit elde edilir. Dolayısıyla, normalize edilen çelikte yumuşatma tavı görmüş çeliğe göre daha ince ve daha yüksek oranda perlit oluşur.Normalizasyon Tavlaması +N simgesi ile gösterilir.    

4.     Gerilim Giderme Tavı ( Stress Relieving )    

Gerilim giderme tavı döküm, kaynak ve soğuk şekil verme işlemlerinden kaynaklanan iç gerilmeleri azaltmak    amacıyla, metalik malzemeleri dönüşüm sıcaklıklarının altındaki uygun bir sıcaklığa kadar ısıtma ve sonra yavaş soğutma    işlemidir. Bu işlem, bazen dönüşüm sıcaklığı veya kritik sıcaklık altı tavı olarak da adlandırılır. Çelik malzemeler 540ºC ile 630ºC sıcaklıkları arasında gerilme giderme tavına tabi tutulurlar.Gerilim Giderme Tavlaması +SR simgesi ile gösterilir.    

5.     Su Verme Sertleştirmesi ( Quenching )    

Tavlama işleminden sonra, çelikler yavaş ya da orta seviyedeki bir hızla soğutulduklarında, ostenit içerisinde çözünmüş durumda bulunan karbon atomları difüzyon ile ostenit yapıdan ayrılırlar. Soğuma hızı arttırıldığında, karbon atomları difüzyon ile katı çözeltiden ayrılmak için yeterli zaman bulamazlar. Demir atomları bir miktar hareket etseler bile,karbon atomlarının çözelti içersinde hapsedilmeleri nedeniyle farklı bir yapı oluşur. Hızlı soğuma sonucunda oluşan bu    yapıya martenzit adı verilir.
Martenzitik dönüşüm yalnız soğuma sırasında meydana gelir. Bu nedenle, söz konusu dönüşüm zamandan bağımsız olup, yalnız sıcaklığın azalmasına yani soğumaya bağlıdır. Martenzitin en önemli özelliği, çok sert bir faz olmasıdır. Çeliklerde, sementitten sonra gelen en sert faz martenzittir. Yüksek sertlik değerleri, ancak yeterli oranda    
karbon içeren çeliklerde elde edilir.Sertleştirme işleminin temel amacı, tamamen martenzitik bir yapı elde etmektir. Bunun için de malzemenin tavlama işleminden sonra, kritik soğuma hızı adı verilen bir değerden daha yüksek hızlarda soğutulması gerekmektedir.Kritik soğuma hızı ise, tamamen martenzitik bir yapı elde etmek için gerekli en düşük soğuma hızıdır. Çelik için önemli    bir kriter olan kritik soğuma hızı, kimyasal bileşim (karbon ve alaşım elmenti oranı) ve östenitin tane büyüklüğüne bağlıdır.Su Verme Sertleştirmesi +Q simgesi ile gösterilir.    
Kullanılan su verme ortamları, su verme şiddetlerine göre aşağıdaki gibi sıralanır;    

a)    %10 oranında NaCl içeren su ( tuzlu su )    
b)    Musluk suyu    
c)    Erimiş veya sıvı tuzlar    
d)    Yağ ve su karışımı
e)    Yağ    
f)    Hava    

6.     Temperleme ( Tempering )    

Çeliklerde, su verme işlemi ile elde edilen martenzitik yapı gevrek olduğundan pek çok uygulama için elverişli değildir. Ayrıca mertanzit oluşumu çelik içerisinde iç gerilmelerin meydana gelmesine neden olur. Bu nedenlerden dolayı    su verilen çelikler, hemen hemen her zaman Ac1 çizgisinin altındaki sıcaklıklarda uygulanan tavlama işlemine temperleme    denir. Temperlemenin amacı; su verilen çelikteki kalıntı gerilmeleri gidermek ve çeliğin süneklik ve tokluğunu artırmaktır.Su verilen çelikler menevişlendiklerinde süneklilikleri artar, buna karşılık sertlik ve mukavemetleri azalır.Yüksek sertlik ve yüksek aşınma direnci gerektiren uygulamada kullanılan çelik parçalar 205ºC'nin altındaki    sıcaklıklarda, yüksek tokluk gereken uygulamalarda kullanılan parçalar ise 425ºC'nin üzerindeki sıcaklıklarda temperlenirler. Eğer parçada gerilme yığılmasına neden olan çentik yoksa, süneklik değişimi tokluk için iyi bir ölçü olarak alınabilir ve bu durumda 205 ile 425ºC sıcaklıkları arasında yapılan menevişleme işlemi sakıncalı olmayabilir. Menevişleme sıcaklığı 205ºC değerine ulaşınca, kalıntı gerilmeler büyük ölçüde giderilebilir. 480ºC sıcaklıkta ise kalıntı gerilmeler tamamen    ortadan kalkar.Temperlerme +T simgesi ile gösterilir. Aynı zamanda menevişleme olarak da adlandırılır.

Üretimi yapılan parçaların çalışma şartlarına göre değerlendirilmesiyle, parçanın tamamı veya bir kısmının,çekirdeğe kadar sertlik kazanması istenebilir. Bu gibi durumlar sözkonusu olduğu zaman istenen özelliğe göre farklı ısıl    işlemler uygulanması gerekir.                                                                                                    
Yapılış özellikleri ve nihai yapı özellikleri göz önüne alınarak sertleştirme işlemi farklı başlıklar altında değerlendirilir.     
                                                                                                                                        
1.     Islah İşlemi ( Quenching and Tempering )              

                                                                 
İstenen sertlik ve mekanik özelliklerin elde edilmesi amacıyla yapılan su verme ve temperleme işlemidir. Özellikle parçanın tüm kesitinin sert olması istendiği durumlar için kullanılır. Su verme işlemi kısaca, malzemenin sertleştirme sıcaklığına kadar ısıtılması ve ani olarak soğutulmasıyla sertleştirilmesi şeklinde tanımlanabilir. Konuyla ilgili olarak, sertleştirme sıcaklığının seçimi,ısıtma hızı, soğutma ortamı seçimi ve soğutma hızı gibi faktörlerin birbiri ile olan ilgileri ve doğru değerlerin belirlenmesi uzmanlık gerektiren konulardır.Sertleştirme sıcaklık aralıkları, maksimum sertliğin, en küçük tane yapısı ile elde edilmesini sağlayacak şekilde bir dizi deney ile belirlenen değerlerdir. Bu değerlerin altında veya üzerinde yapılacak ısıtma, sertlik değerinin düşük, nihai içyapının ise istenen şekilde olmaması ile sonuçlanacaktır. Ayrıca sertleştirme sıcaklığında tutma süresi de önemli olup, malzemenin alaşımlı, az alaşımlı olması ve tane boyutlarının uygunluğu ile bağlantılıdır.Su verme ortamının seçimi, malzemenin alaşım miktarıyla alakalıdır. Düşük alaşımlı çelikler için daha çok su ve tuz banyoları tercih edilirken, yüksek alaşımlı çelikler için çarpılma riski göz önünde bulundurulup yağ gibi yumuşak ortamlar tercih edilir. Yoğunlukla kullanılan soğutma ortamları su, yağ, tuz banyosu ve hava şeklinde belirtilebilir.    Su verme sonrasındaki ısıtmaya temperleme işlemi denir. Su vermeden sonra oluşan nihai yapı, çok sert ve kırılgan olup, ani soğutma esnasında oluşan iç gerilmelere sebep olur. Temperleme işlemi ile malzemenin tokluğunun iyileştirilmesi için malzemenin tekrar ısıtılıp, aynı sıcaklıkta bir süre soğutularak tutulmalıdır. Temperlemenin amacı; su    verilen çeliğin kalıntı gerilmelerini gidermek, süneklik ve tokluğunu artırmaktır. Su verilen çelikler temperlendiklerinde süneklikleri artar, buna karşılık sertlik ve mukavemetleri azalır.Islah İşlemi +QT simgesi ile gösterilir.

    Bazı uygulamalarda kullanılan çelik parçaların hem aşınma direncinin hem de darbe dayanımının yüksek olması istenir. Bunun için söz konusu parçaların yüzeylerinin sert, iç veya merkez bölgelerinin ise nispeten yumuşak olması beklenir. Bu durumu sağlamak için parçalara yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır. En uygun yöntemin seçiminde parçanın kimyasal bileşimi, şekil ve boyutları dikkate alınmalıdır.                                                           
                                                                                                             
    1.  Sementasyon İşlemi ( Case Hardening )

                                                                   
            Sementasyon diğer adıyla karbürleme işlemi %0,20'den daha az oranda karbon içeren çeliklere uygulanır. Bu işlemin esası, düşük karbonlu çeliklerin yüzeyinde karbon vererek yüzeyin karbon oranını yeterli düzeye çıkarmaktır.Söz konusu çeliklerin sementasyonu, karbon verici bir ortamda ve Ac3 çizgisinin üzerindeki bir sıcaklıkta uygun bir süre tutularak gerçekleştirilir.                                                                                      
            Semente edilecek çelik parçalar östenit bölgesinde 900ºC-950ºC arasındaki bir sıcaklıkta, karbon verici bir ortamda yeterli bir süre tavlanır. Karbon verici ortamlar katı, sıvı veya gaz olabilir. Katı ortam olarak odun kömürü ile baryum karbonat karışımı, sıvı ortam olarak erimiş siyanür banyosu ve gaz ortamı olarak da hidrojen ya da azotla karıştırılan karbonmonoksit, metan ve propan gibi gazlar kullanılabilir.                                                          
            İşlem sırasında atom haline geçen karbon, çeliğin östenit yapısı içerisinde çözünerek yüzeyden içeriye doğru azalan oranda yayınır. Karbon verici ortamda yapılan tavlama ile karbon oranı yükseltilen yüzey tabakasının sertleştirilmesi gerekir. Bu amaçla izlenecek yollardan en kolayı sementasyon sıcaklığından su vermektir.                                 
                                                                                                             
    2.  Nitrasyon İşlemi ( Nitration Hardening )      

                                                              
            Nitrasyon, çoğunlukla düşük karbonlu ve nitrür oluşturma özelliğine sahip alaşım elementleri içeren çeliklere uygulanır. Nitrür oluşturma özelliğine sahip elementlere örnek olarak aluminyum, krom ve molibden verilebilir. Bu işlem,söz konusu çeliklerin 500ºC dolayındaki bir sıcaklıkta, azot verici bir ortamda 40-90 saat gibi uzun bir süre tavlanması ile gerçekleştirilir.                                                                                            
            Azot verici ortam genelde sodyum siyanür (NaCN) ve/veya potasyum siyanür (KCN) içeren banyolar kullanılır.Nitrasyon işleminde, atom halindeki azotun çeliğe yayınmasıyla meydana gelen çok ince ve dağınık haldeki krom,aluminyum veya molibden nitrürler parça yüzeyinde sert bir tabakanın oluşmasını sağlar. Azotun çelik içerisindeki yayınma hızı düşük olduğundan yeterli kalınlıkta sert tabaka elde edebilmek için uzun süreli tavlama yapmak gerekir.                     
                                                                                                             
    3.  İndüksiyonla Yüzey Sertleştirme ( Induction Surface Hardening )    

                                     
            İndüksiyonla sertleştirme işleminde, hızlı değişen manyetik bir alana yerleştirilen bir metal parçası içerisinde elektrik akımı oluşturma esasına dayanır. Bu işlemde kullanılan makine çok sayıda bakır bobin içeren bir transformatörü andırır. Sertleştirilecek parça, yüksek frekanslı indüksiyon makinasının ikincil parçasını oluşturur. Yüksek frekanslı ünitelerde dış ısıtma için basit selenoid veya sarmal bobin, delikli parçaların iç kısmının ısıtılmasına yarayan bobin, dar aralıklarda tarama uygulamalarının yapılabilmesi için yüksek akım şiddeti sağlayan tabak biçimindeki bobin, dönen yüzeylerin taranması için tek bobin ve yerel veya noktasal ısıtmaya elverişli ve birbiri içerisine girebilen beş farklı bobin kullanılır.                     
            İndüksiyon yöntemiyle sertleştirilen parçalarda çarpılma riski yoktur. Bu yöntem üretim hattında kullanılabilir.İndüksiyonla sertleştirme işleminde otomatik cihazlar kullanıldığından kişisel beceriye fazla gereksinim duyulmaz.               
                                                                                                             
    4.  Alevle Yüzey Sertleştirme ( Flame Surface Hardening )    

                                                   
            Orta karbonlu çeliklere uygulanan bu işlemde parçanın yalnız yüzeyi alevle ısıtılıp, östenitleştirildikten sonra suverilerek sertleştirilir. Ancak, bu işlem sırasında parçanın iç kısmında öenmli bir sıcaklık artışı ve dolayısıyla yapısal değişime meydan vermemek gerekir. Yoğun ısıtma, oksijen-yanıcı gaz (asetilen, propan vb.) alevi yardımıyla sağlanır.Bu işlemde, su verme sıcaklığı normal su verme sertleşmesi için gerekli tavlama sıcaklığından daha yüksektir.                
        Alevle yüzey sertleştirme işlemi sırasında çeliğin kimyasal bileşiminde herhangi bir değişim meydana gelmez.Çelik parçanın istenilen bölgesi uygun sıcaklığa kadar ısıtılıp,östenitleştirildikten sonra su verilerek sertleştirilir. Yüzeyi istenilen sıcaklığa kadar ısıtılan parçaya su püskürtülerek su verme işlemi yapılır. Bazı durumlarda ise parçaya yağda su verilebilir. İşlem sonrası parça 180-205ºC arasındaki bir sıcaklığa ısıtılıp, havada soğutulmak suretiyle gerilim giderme işlemine tabi tutulur.