حرارت دهی به فلزات می‌تواند خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی آن‌ها را تغییر دهد. دستیابی به خواص مطلوب از طریق کنترل دماهای گرم و سرد شدن فلز حاصل می شود. از آنجاییکه کاربرد‌های یک فلز متنوع است، محیط‌های مختلف، خواص مختلف و منحصربفردی را نیز می‌طلبند. برای مثال در کاربردهای مهندسی، سختی مناسب و در کار بردهای الکتریکی، مقاومت الکتریکی پایین مهم است.

تاثیرات گرما بر فلز

مهم‌ترین خواصی از فلز که از طریق حرارت‌دهی تغییر می‌کنند:

• مقاومت الکتریکی
• انبساط گرمایی
• ساختار
• خاصیت آهن‌ربایی

تاثیر بر مقاومت الکتریکی

مقاومت الکتریکی مقیاسی است که نشان می‌دهد چه مقدار فلز در برابر عبور جریان الکتریکی از خود مقاومت نشان می‌دهد. همزمان با عبور الکترون‌ها از درون فلز، الکترون‌ها پخش می‌شوند و با ساختار فلز برخورد هم می‌کنند. حرارت دهی به فلزات سبب می‌شود تا الکترون‌ها انرژی بیشتری را جذب کرده و با سرعت بیشتری حرکت کنند. این موضوع منجر به پخش‌‌شدن بیشتر اکترونها و در نتیجه مقاومت بیشتر می‌شود.

گرماسنج‌ها از تغییرات در مقاومت الکتریکی برای اندازه‌گیری دمای یک قطعه فلز استفاده می‌کنند.

تاثیر بر انبساط گرمایی

فلز وقتی گرم شود، منبسط می‌شود‌‌. طول، سطح و حجم همراه با دما افزایش پیدا می‌کنند. اصطلاح علمی برای این پدیده، انبساط گرمایی است. میزان انبساط گرمایی با توجه به نوع فلز متنوع است. این پدیده به این دلیل رخ می‌دهد که حرارت دهی به فلزات میزان جنبش اتم‌ها را افزایش می‌دهد. در هنگام طراحی یک سازه فلزی، انبساط گرمایی اهمیت زیادی دارد. یک مثال متداول می‌تواند لوله‌های خانگی باشد. این لوله‌ها می‌بایست همراه با تغییر فصل، با انقباض‌ها و انبساط‌ها تطابق پیدا کنند.

تاثیر بر ساختار

فلزات از ساختار‌های اتمی مشابه به نام آلوتروپ‌ها (دگرشکل) تشکیل شده‌اند. حرارت‌دهی به فلزات سبب جابجایی مکان اتم‌ها می‌شود. جابه‌جا شدن اتم‌ها هم سبب شکل‌گیری ساختار‌های جدید می‌شود. به این فرایند مرحله تغییر آلوتروپیک (allotropic phase transformation) می‌گویند. این فرایند سختی، استحکام و رسانایی فلز را تغییر می‌دهد. بیشترین انواع تغییرات آلوترپیکی درون آهن اتفاق می‌افتد.

وقتی آهن بیش از ۹۱۲ درجه سانتی‌گراد گرم شود، می‌تواند میزان بیشتری از کربن را جذب کند. کربن نیز عامل اصلی افزایش سختی هر نوع محصول فولادی است. این اثر مطلوب در محصولات فولادی با کربن بالا(بیش از ۰٫۵ درصد) مثل فولادهای ابزار (tool steel) به کار گرفته می‌شود.

تاثیر بر خاصیت آهن‌ربایی

سه نوع فلز با خاصیت آهن‌ربایی وجود دارند که شامل آهن، نیکل و کبالت می‌شوند. این فلزات با عنوان ferromagnetic شناخته می‌شوند. حرارت دهی به فلزات دارای خاصیت آهنربایی سبب افت و یا از بین رفتن کامل این خاصیت در آنها می شود. دمایی که در آن این اتفاق می‌افتد به عنوان دمای کوری شناخته می‌شود‌. برای نیکل، کبالت و آهن این دما به ترتیب ۹۰۰، ۱۱۱۵ و ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد است.

عملیات حرارتی

عملیات حرارتی فرآیندی است که برای تغییر‌ خواص فلزات طراحی شده است تا این خواص بیشتر مناسب مصارف موردنظر باشند. انواع اصلی عملیات حراراتی موارد زیر هستند:

• بازپخت (annealing)
• نرماله کردن (normalizing)
• سخت کاری (hardening)
• بازگشت (tempering)

بازپخت (annealing)

این فرایند به صورت متداول برای نرم کردن فلزاتی چون آهن، فولاد، مس، برنج و نقره به کار می‌رود. در این فرآیند، فلزات تا دمای مشخصی گرم شده و سپس با سرعتی مناسب سرد می شوند. فرآیند بازپخت خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات را تغییر می‌دهد. برای مثال رسانایی و سختی را افزایش می‌دهد. این کار فرایند شکل دادن، نشان‌دار کردن و تغییر دادن فلز را آسان‌تر می‌کند و اجازه می‌دهد تا فلزات راحت‌تر برش بخورند. همچنین می‌تواند رسانایی الکتریکی را تقویت کند.

نرماله کردن (normalizing)

نرماله کردن بر روی فلزات اعمال می‌شود تا اندازه و ترکیب دانه‌های فلزی را یک‌دست کند. فلز تا دمای مشخصی گرم می‌شود و سپس در هوا خنک می‌شود. فلز حاصل، عاری از ناخالصی بوده و استحکام و سختی بیشتر و نیز رسانایی کمتری نسبت به حالت آنیل از ‌خود نشان می‌دهد. این فرایند بر روی موادی صورت می‌گیرد که قرار است با استفاده از ماشین‌آلات پرداخت شوند، چرا که این خاصیت در آن‌ها بهبود یافته است.

سخت کاری (hardening)

عملیات سخت کاری بر روی انواع فولادها اعمال می‌شود تا خواص مکانیکی آنها بهبود داده شود. در طول سخت کردن، حرارت‌دهی به فلزات تا دمای بالایی انجام می‌شود و این دما تا زمانی که مقداری از کربن ترکیب شود، بالا نگه داشته می‌شود‌. سپس فولاد به سرعت درون روغن یا آب فرو برده می‌شود تا خنک شود. این فرایند تردی و شکنندگی فلز را افزایش می‌دهد و به همین دلیل مناسب کارکردهای مهندسی نیست. این فرایند وقتی که به مقاومت به سایش و خوردگی توام با حفظ سختی، رسانایی و مقاومت به ضربه نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

بازگشت (tempering)

عملیات بازگشت وقتی بر روی فولاد اعمال می‌شود که رسانایی مطلوب و نیز کاهش اندکی در سختی نیاز است. فولاد تمپر نشده دارای سختی بالایی بوده و برای بسیاری از کاربردهای عملی شکننده است. بازگشت یک فرایند حرارتی در دمای پایین است که معمولا پس‌ سخت کردن به منظور ایجاد نسبت مناسب سختی به استحکام انجام می‌شود.

انواع روش‌های سخت‌کردن شامل مواردی مثل خنثی (neutral)، دوتایی (double)، کربونیتره کردن(carbonitriding)، کربن‌دهی اتمسفری(atmospheric carburising) و القایی(induction ) هستند. این فرایند شامل حرارت دهی به فلزات تا دمایی پایین‌تر است. به این منظور که سختی اضافی را کاهش دهند. فلز سپس اجازه دارد تا در هوا خنک شود. در نتیجه، فلزی قوی‌تر و کمتر شکننده حاصل خواهد شد.