Isıl işlem adından da anlaşılacağı üzere malzemeye belli bir oranda ısı uygulama işlemidir. Isıl işlemin en yaygın olarak kullanıldığı malzemeler demir ve çeliktir. Malzemeye yüzey sertleştirmek, mukavemet kazandırmak ve şekil vermek gibi amaçlarla uygulanan ısıl işlem belirli bir sıcaklıkta özel fırınlarda malzemenin atomlarının hareketlerinin kontrol altına alınması işlemidir. Isıl işlem ilk aşamasından son aşamasına kadar tamamen malzemenin yapısını kontrol etme işlemidir. Kontrol altında olan madde atomları istenilen sertlik, mukavemet, esneklik ve şekil gibi özelliklerin kazandırılmasında en önemli işlem basamaklarından bir tanesidir.

Isıl işlem bir malzemenin ısıtılması ve ardından soğutulması gibi görünse de birçok farklı ısıl işlem teknikleri vardır. Çeliklere uygulanan ısıl işlem tekniklerine geçmeden önce ısıl işlemin temel kademelerini bilmek gerekir. Hemen hemen bütün ısıl işlemlerde uygulanan 3 temel kademe vardır. Bunlar; ısıtma, tutma ve soğutma kademeleridir.
Isıl İşlem Kademeleri

Isıl işlem kademeleri istenilen sıcaklık ve zaman kavramlarının malzemeye uygulama adımlarıdır. Daha kolay bir şekilde ifade etmek gerekirse belli bir sıcaklığa getirilmiş fırına konulan çelik parça belli bir ısıya kadar bir kademede kalır, o ısıya geldikten sonra diğer kademe geçilir. Isıl işlemler 3 temel kademeden oluştuğu için süre. boyunca dikkat edilmesi gereken sıcaklık ve zaman noktaları vardır. Bu noktaların her biri diğer noktaya gelene kadar bir kademeyi temsil eder.

Çeliğe uygulanan ısıl işlem kademelerinin ilki ısıtma kademesidir. Bu kademede önceden belli bir sıcaklığa getirilen özel fırına malzeme konulur ve belirlenen süre kadar çelik içinde tutulur. Bu kademede fırının hangi sıcaklıkta olacağı, malzemenin fırında ne kadar sürede kalacağı gibi kriterler önceden belirlenir. Çünkü elde edilmek istenen çeliğin özellikleri bu değerler doğrultusunda oluşturulmaktadır. Bu aşamada çelik bir ateş parçası haline gelene kadar kırmızı hale gelir. Isıtma işleminde en dikkat edilmesi gereken iki özellik fırının sıcaklığı ve çelik parçanın fırında kalış süresidir. Isıtma işlemi ilk olarak fırının istenilen dereceye kadar ısıtılması ile başlar. İstenilen sıcaklığa ulaşan fırına bu kez ısıl işlem uygulanacak olan çelik parça atılır. Çelik parça fırın içinde istenilen sıcaklığa gelene kadar tutulur. Çelik parçanın fırın içinde istenilen sıcaklığa gelinceye kadar tutulması süreci ısıtma kademesidir. Çeliğin istenilen sıcaklığa ulaştığı noktadan itibaren ikinci kademe başlar.

Isıl işlemlerin ikinci kademesi tutma kademesidir. Bu kademede fırına konulan malzeme istenilen sıcaklığa geldikten sonra belli bir süre daha fırında tutulur. Bu durum sıcaklık-zaman grafiğinde gösterilecek olsa malzemenin sıcaklığının istenilen sıcaklığa geldiği nokta tutma noktası olarak kabul edilir. Bu noktadan itibaren başlayan ve soğuma noktasına kadar geçen süreye ise tutma süresi denir. Yani tutma süresi, fırının içindeki malzemenin istenilen sıcaklığa geldikten sonra fırın içinde geçirdiği süreyi temsil etmektedir. Tutma süresini etkileyen en önemli faktör maddenin ısınma ve fırınında ısıtma hızıdır. Bunlar malzemenin kalitesi, alaşım oranı, miktarı gibi durumlara göre değişiklik gösterir. Ancak bu iki hızı etkileyen en önemli durum fırının sıcaklığı ve malzemenin fırına ne zaman atıldığıdır. Örneğin fırının kendi ısısı eğer malzemenin tutma noktasındaki sıcaklıkta ise ısınma hızı yüksek demektir. Eğer böyle bir derecede çeliğin fırına konulması anında çeliğin de ısınma hızı yüksek olacaktır. Fırının ısıtma, malzemenin de ısınma derecesi birbirine yakın olduğu ısıl işlemlerde tutma süresi daha kısa olur. Bu süre bittikten sonra da üçüncü aşama olan soğutma aşamasına geçilir.

Isıl işlemlerin son kademesi olan soğutma kademesi tutma süresinin bitimiyle başlayan kademedir. Soğutma işleminde istenilen mikro yapıya ulaşması beklenen ısıtılan çelik soğutma işlemine maruz bırakılır. Soğutma işlemi su, yağ ve hava ortamında yapılsa da bunların içinde en yaygın olarak kullanılan su ile soğutma işlemidir. Çünkü su ile soğutma işlemi yağ ve hava ile soğutma işleminden daha kısa sürede gerçekleştirilir. Su ile soğutma çalışmasında malzeme farklı şekil ve kalınlıklarda da bile olsa soğuma süresi bu farklılıklardan çok fazla etkilenmez. Soğutma kademesi ısıl işlemlerinin en son kademesi olmasına rağmen malzemeye zarar verme ihtimalinin de yüksek olduğu kademedir. Isıtılan malzemenin kalınlığı, alaşım oranları ve şekli gibi etkenlerden dolayı tutma ısındaki bir çelik malzeme çatlama ve çarpılma tehlikesi altındadır. Bu tür durumların önüne geçmek için en etkili yöntem soğuma hızını düşürmektir. Yani malzemeyi soğutma işini daha geniş zamana yaymak gerekir. Ancak böyle bir durumda da çelikten istenilen mikroyapı tam anlamıyla oluşmayabilir. Bu yüzden soğutma işleminde son derece titiz ve dikkatli olmak gerekir.