Hartowanie – celem hartowania jest uzyskanie twardej struktury martenzytycznej, lub niekiedy bainitycznej. Może powstać jedynie z austenitu. Dlatego trzeba podgrzać stal do temperatury, w której utworzy się austenit. Stale podeutektoidalne nagrzewa się do temperatur o 30-50 stopni wyższych od A_c3 (linia GOS -912-727), a stale nadeutektoidalne do 30-50 stopni wyższych od A_c1 (linia PS – 727 stopni C). Po podgrzaniu do tej temperatury trzeba ją utrzymać odpowiednio długo, by wszystkie przemiany fazowe mogły zajść w pełni, a następnie schłodzić z odpowiednio dużą prędkością.

Istnieje wiele sposobów hartowania:

- hartowanie zwykłe polega na standardowym rozgrzaniu i chłodzeniu stali w kąpieli wodnej, bądź olejnej. Szybkość chłodzenia dobierana jest tak, by nie nastąpiły odkształcenia.

-hartowanie stopniowe rozwiązuje problemy z kruchością struktury martenzytycznej w hartowaniu zwykłym. Polega ono na wstrzymaniu stali w temperaturze Ms (martenzytowanie start), aż do wyrównania temperatury w całym przekroju, a następnie na powolnym chłodzeniu, tak by przemiana martenzytyczna zaszła w całym przedmiocie.

- hartowanie izotermiczne – chłodzenie zatrzymuje się zaraz przed Ms na tak długo, aż przemiana bainityczna się zakończy. Zaletą tej metody jest brak naprężeń od hartowania, lecz trwa ona bardzo długo.

Odpuszczanie - stale zahartowane mają zazwyczaj bardzo złe właściwości plastyczne, są bardzo kruche. Dlatego poddaje się je odpuszczaniu. Dzięki odpuszczeniu stali o strukturze martenzytycznej powstaje stal o jednej z najlepszych kombinacji własności wytrzymałościowych i plastycznych. Polega ono na rozgrzaniu zahartowanego przedmiotu do temperatury 150 -727 stopni Celsjusza. Dzieli się ono na 4 stadia:

- stadium I – 100-200°C – powstawanie węglików przejściowych, zawartość węgla maleje w martenzycie i struktura staje się podobna do bainitu dolnego. Ilość węgla w Fe wynosi teraz 0,2%, więc w stalach zaw. mniej niż 0,2% C nie tworzą się węgliki przejściowe. Wydzielanie węglików przejściowych o dużej dyspersji powoduje umocnienie stali, lecz martenzyt ubożeje w węgiel, co prowadzi do zmiękczenia stali i zmniejszenia jej wytrzymałości.

- stadium II - 200-350°C - przemiana austenitu szczątkowego w ferryt i cementyt w wyniku przemiany bainitycznej. Występuje tylko w stalach powyżej 0,4%C. (z powodu braku austenitu szczątkowego, następnie im więcej węgla tym silniejsza przemiana). Powoduje umocnienie stali.

- stadium III - 250-400°C – następuje wydzielanie się cementytu, rozpuszczanie się węglików przejściowych i dalsze zmniejszanie zawartości węgla w osnowie martenzytycznej.

- stadium IV - 400-727°C – zachodzi koagulacja (łączenie rozproszonej fazy koloidu w większe skupiska, tworzenie fazy ciągłej) i sferoidyzacja cementytu i rekrystalizacja osnowy. Otrzymaną strukturę nazywa się sorbitem odpuszczania. Całkowite usunięcie naprężeń.

Istnieją trzy rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

- niskie – 150-250°C – usunięcie naprężeń z pozostawieniem struktury martenzytu. Zachowanie wysokiej twardości.

- średnie – 250-500°C – duża wytrzymałość i sprężystość, niska twardość.

- wysokie – więcej niż 500°C. Wysoka wytrzymałość, niska twardość.

Wyżarzanie - polega na podgrzaniu materiału do określonej temperatury, utrzymanie w niej i pozostawieniu do najczęściej powolnego wychłodzenia. Celem wyżarzania jest uzyskanie struktury zbliżonej do stanu równowagi termodynamicznej.

- wyżarzanie ujednorodniające – nagrzanie stopu do temperatury 100-200°C poniżej linii Solidusu, długie wygrzewanie pozwalające na dyfuzję na znaczną odległość. Cel: zmniejszenie mikrosegregacji powstałej w wyniku krystalizacji.

- wyżarzanie normalizujące – nagrzanie stali podeutektoidalnej do temperatury 30-50°C powyżej A_c3, a nadeutektoidalnej do 30-50°C powyżej Ac_cm (linia ES – 727-1148). Powoduje powstanie drobnego austenitu i następnie chłodzi się w spokojnym powietrzu. Cel: rozdrobnienie i ujednorodnienie ziarna.

- wyżarzanie zupełne – realizowane w tym samym zakresie temperatur, co normalizujące. Różnica jest w chłodzeniu. W zupełnym materiał studzi się wraz z piecem. Cel: zwiększenie ciągliwości i zmiękczenie stali.

-wyżarzanie niezupełne - obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu stali podeutektoidalnej do temperatury Ac1÷Ac3 lub dla stali nadeutektoidalnej do A1÷Acm, wygrzaniu i po pewnym okresie czasu wolnym studzeniu. Cel: zmniejszenie twardości, poprawienie ciągliwości, usunięcie naprężeń, uzyskanie struktury zbliżonej do równowagowej.

- wyżarzanie sferoidyzujące – zapewnia strukturę sferoidytu (cementyt kulkowy w osnowie ferrytu), a w konsekwencji zmniejsza twardość i ułatwia obróbkę plastyczną na zimno stali konstrukcyjnych i poprawia skrawalność, a w wypadku stali narzędziowych — stosowane przed hartowaniem zmniejsza kruchość.

Obróbka cieplna – zwykle jest to proces technologiczny, w wyniku którego uzyskuje się zmiany właściwości metali i stopów będące funkcją temperatury i czasu.

Martenzyt – przesycony roztwór węgla w żelazie α. Odznacza się wysoką twardością i dużą kruchością. Im więcej węgla, tym wyższa twardość martenzytu.

Ulepszanie cieplne – obróbka cieplna polegająca na połączeniu hartowania i wysokiego/średniego odpuszczania. Stosowany na stali, która ma być użyta do obrabiania skrawaniem. Ma prowadzić ono do polepszenia właściwości plastycznych, wzrostu Rm na rozciąganie, wzrostu odporności na pękanie i spadku twardości.

Krytyczna szybkość chłodzenia – najmniejsza szybkość chłodzenia stali, przy której możliwa jest przemiana martenzytyczna (austenit na martenzyt).

Temperatura hartowania stali:

Stal podeutektoidalna: 30-50°C powyżej A_c3 (linia GOS 912-727°C)

Stal nadeutektoidalna: 30-50°C powyżej A_c1 (linia PS 727°C)

Hartowanie powierzchniowe – polega na rozgrzaniu jedynie cienkiej warstwy wierzchniej materiału do temperatury powyżej Ac₃ i szybkim chłodzeniu w celu uzyskania w warstwie nagrzanej twardej struktury martenzytycznej. Zabieg ten jest używany do stali w maszynach, które potrzebują wytrzymałego i plastycznego rdzenia i twardej nawierzchni.

Nawęglanie -  zabieg cieplny polegający na dyfuzyjnym nasyceniu węglem warstwy powierzchniowej obrabianego materiału. Nawęglaniu poddaje się stale niskowęglowe (do 0,25% zawartości węgla), by zmodyfikować własności warstwy wierzchniej materiału w dalszych fazach obróbki np. zwiększyć jej twardość, a co za tym idzie odporność na ścieranie, przy równoczesnym pozostawieniu miękkiego, elastycznego rdzenia stali niskowęglowej. Zawartość węgla w strefie nawęglania wzrasta do 1–1,3%, a głębokość nawęglania wynosi najczęściej 0,5 do 2 mm.

W procesie nawęglania można wyodrębnić dwa etapy:

1. absorpcja, tj. pochłanianie węgla w postaci atomowej przez powierzchnię metalu

2. przenikanie węgla w głąb materiału

Azotowanie – obróbka cieplno-chemiczna stopów żelaza polegająca na dyfuzyjnym nasyceniu powierzchni metalu azotem. W efekcie azotowania tworzy się warstwa wierzchnia, której struktura i skład fazowy zależy od temperatury, czasu, składu chemicznego przedmiotu i atmosfery. Azotowaniu poddaje się materiały o specjalnie dobranym składzie chemicznym. W przypadku stali, są to stale do azotowania. Zawierają dodatek pierwiastków azotkotwórczych Cr, V lub Mo. Azotowanie stosuje się w celu podwyższenia właściwości tribologicznych lub odporności na korozję.

Utworzona warstwa wierzchnia może poprawić następujące właściwości:

• odporności na zużycie ścierne

• twardość

• odporność zmęczeniową

• odporności na korozję