Obróbka cieplna stali ma na celu zmianę struktury stopów i jest procesem przeprowadzanym w stanie stałym. Obróbka powoduje to zmianę własności mechanicznych, fizycznych i chemicznych stali

Z punktu widzenia budowlanych konstrukcji stalowych, do najważniejszych procesów obróbki cieplnej należą:

• przesycanie,

• odpuszczanie,

• hartowanie,

• obróbka termomechaniczna.

• wyżarzanie,

Przesycanie to proces polegający na nagrzaniu stali do temperatury, w której jeden lub więcej składników przechodzi do roztworu stałego (bez przemiany alotropowej), wygrzanie jej w tej temperaturze, a następnie szybkim ochłodzeniu stali. Przesycanie poprawia właściwości antykorozyjne stali.

Uzyskana w temperaturze otoczenia w tym procesie struktura, jest strukturą nietrwałą na skutek przesycenia. Roztwór stały jest roztworem przesyconym i można z niego wytrącić niektóre składniki - wytrąca się tzw. cementyt trzeciorzędowy. Proces wytrącania się cementytu ze stałego roztworu przesyconego nazywa się procesem starzenia stali.

Stal uzyskuje większą twardość (obecność cementytu trzeciorzędowego), większą wytrzymałość, ale jest jednocześnie bardziej krucha i mniej ciągliwa. Z procesem starzenia stali trzeba się liczyć np. w procesie spawania, gdzie rozpuszczają się w stali Azot, tlen i węgiel. Powoduje to wzrost miejscowych naprężeń zwanych naprężeniami spawalniczymi. Stąd np. spawanie elektrodami nieotulonymi powoduje wzrost
w spoinie ilości azotu N i tlenu O. Starzenie w temperaturze otoczenia przebiega bardzo powoli, ale zwiększenie temperatury do 200-300°C bardzo przyśpiesza ten proces. Ochrona stali przed starzeniem polega na dodaniu do stali pierwiastków, które wiążą się z pierwiastkami przyśpieszającymi starzenie. Wytworzone w ten sposób związki są albo bardzo dobrze rozpuszczalne w ferrycie, albo są zupełnie w ferrycie nierozpuszczalne. Do pierwiastków tych można zaliczyć mangan, krzem, aluminium i tytan. Stal uspokojona aluminium lub krzemem nie jest skłonna do starzenia.

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali do temperatury wyższej niż 600°C, wygrzaniu stali w tej temperaturze, a następnie albo wolnym, albo szybkim jej ostudzeniu.
W procesie odpuszczania zmieniają się własności stali. Zmiany te to zmniejszenie twardości stali i wytrzymałości stali na rozciąganie, natomiast zwiększa się wydłużalność i udarność stali.

Stosowanie na zmianę hartowania i odpuszczania stali nosi nazwę ulepszania cieplnego stali.

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury nieco wyższej niż 720°C
i wygrzewaniu jej aż do uzyskania struktury austenitycznej (a więc następuje przemiana alotropowa), a następnie szybkim oziębieniu w wodzie lub oleju. W wyniku tego procesu uzyskuje się stal o strukturze martenzytycznej, która zapewnia stali dużą twardość, odporność na ścieranie i wytrzymałość. Struktura martenzytyczna stali jest tworzona w momencie szybkiego ochłodzenia stali. Powoduje to utrudnienie dyfuzji węgla, który pozostaje w strukturze stali. Stal o strukturze martenzytycznej ma nadmiar węgla (żelazo a).

Stal o niskiej zawartości węgla wymaga nagrzania w procesie hartowania
do temperatury 720-900°C. W miarę zwiększania się zawartości węgla powyżej 0,8% temperatura hartowania ustala się na poziomie 720°C.

Stal poddana hartowaniu charakteryzuje się lepszymi parametrami mechanicznymi jest jednak bardziej krucha i ma obniżoną wydłużalność.

Obróbka termomechaniczna polega na podwójnym walcowaniu stali: walcowanie wstępne tzw. walcowanie normalizujące oraz walcowanie końcowe. Walcowanie wstępne odbywa się w temperaturze około 100°C niższej niż walcowanie tradycyjne. Powoduje to wydłużenie ziaren, co powoduje z kolei, rekrystalizacje i strukturę drobnokrystaliczna stali. Stal poddana obróbce termomechanicznej nazywana jest często stalą niskoperlityczną. Obróbka termomechaniczna powoduje zmniejszenie zawartości węgla. Stale poddane takiej obróbce wykazują zmniejszona skłonność

do utwardzania się w tzw. strefie wpływów ciepła, co powoduje zmniejszona podatność na zimne pęknięcia. Stal taka jest również bardziej odporna na oddziaływanie środowisk kwaśno - korozyjnych. Są to stale łatwiej spawalne niż walcowane tradycyjnie. Stale niskoperlityczne coraz częściej stosuje się w budownictwie stalowym

Wyżarzanie to proces polegający na podgrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzanie jej w tej temperaturze, a następnie powolne ostudzenie. W zależności
od temperatury wygrzewania, sposobu studzenia i celu wyżarzania interesujące jest wyżarzanie : zupełne, normalizujące, rekrystalizujące i odprężające.

• Wyżarzanie zupełne ma za zadanie rozdrobnienie ziaren stali.

• Wyżarzanie rekrystalizujące ma na celu usunięcie skutków zgniotu, a więc usunięcie twardej struktury stali i zastąpienie jej drobnokrystaliczną strukturą miękką. W większości metali skutek zgniotu w temperaturze normalnej, może się utrzymywać bardzo długo na skutek małej ruchliwości atomów. Podniesienie temperatury umożliwia (ze względu na wzrost energii wewnętrznej) wzrost ruchliwości atomów, a tym samym przywrócić stali właściwą jej strukturę. Trzeba pamiętać, że zgniot powoduje utwardzenie struktury stali.

• Wyżarzanie odprężające (odprężanie) ma na celu zmniejszenie naprężeń własnych powstałych przy obróbce technologicznej stali bez wyraźnych zmian strukturalnych stali. Wyżarzanie odprężające stosuje się po takich zabiegach technologicznych jak obróbka plastyczna na zimno i na gorąco, spawanie skrawanie. Trzeba pamiętać, że procesy te wywołują znaczne naprężenia wewnętrzne w stali.