Любой технологический процесс термической обработки стали состоит из определенных комбинаций следующих четырех превращений:

1) превращения перлита в аустенит (П→А) при нагреве стали;

2) превращения аустенита в перлит или перлитоподобные продукты (А→П) при охлаждении стали;

3) превращения аустенита в мартенсит (А→М) при быстром охлаждении (при закалке);

4) разложения мартенсита при отпуске закаленной стали (М→продукты распада).

Главная цель нагрева стали – получение аустенитной структуры. Превращение перлита в аустенит – процесс кристаллизационного типа. Он подчиняется закономерностям кристаллизации – зарождаются центры новой фазы, в которых растут кристаллы.

Сталь в исходном состоянии (до нагревания) в зависимости от содержания углерода может иметь структуру феррито-перлитную (сталь доэвтектоидная), перлитную (сталь эвтектоидная) или перлито-цементитную (сталь заэвтектоидная). При нагреве стали и переходе температуры через критическую точку A_c1 (температура 727°С) перлит начнет превращаться в аустенит и, следовательно, образуются структуры: у доэвтектоидной стали – феррито-аустенитная, у эвтектоидной – аустенитная и у заэвтектоидной – аустенитно-цементитная. При дальнейшем повышении температуры у доэвтек­тоидной стали феррит постепенно превращается в аустенит, и при достижении температуры, соответствующей критической точке Ac₃, процесс перехода Ф в А полностью за­вершается. У заэвтектоидной стали при нагреве выше 727°С цемен­тит растворяется в аустените и при достижении температуры крити­ческой точки A_ст структура становится аустенитной.

Таким образом, при температурах, соответствующих критиче­ским точкам Ac₃ и A_cт (см. рис. 4.3, линия GSЕ), все стали будут иметь структуру из одного аустенита. Однако образовавшийся аустенит будет неодно­родным по составу в силу того, что процессы диффузии углерода не успевают завершиться. Поэтому для ускорения диффузионных про­цессов, выравнивающих в зернах аустенита содержание углерода и других элементов (например, легирующих), стали нагревают выше линии GSЕ на 30 – 50 ^oС, и при этой температуре делают выдержку, достаточную для выравнивания состава во всех зернах. При этом об­разуется структура мелкозернистого аустенита, независимо от разме­ра зерен стали до термообработки. Нагрев до более высоких темпера­тур недопустим, так как приведет к увеличению размера зерен аустенита и в результате этого к ухудшению механических свойств стали.

Температура нагрева под закалку не должна превышать:

· для доэвтектоидной стали А₃ + (30…50)°С,

· для заэвтектоидной – А₁ + (30…50)°С.

Нагрев значительно выше этих температур приводит к образованию крупного действительного зерна. Такой нагрев называют перегревом. Нагрев до еще более высоких температур сопровождается образованием окислов железа по границам зерен с частичным оплавлением, он называется пережогом.

Перегрев и пережог являются браком при термической обработке (ТО). Причем перегрев можно исправить охлаждением и повторным нагревом до необходимой температуры, а пережог является неисправимым браком.

Главная цель охлаждения стали – превращение аустенита в же­лаемую структуру: перлит, сорбит, троостит или мартенсит.

Образование этих структур, в свою очередь, зависит от температуры нагрева, а главное – скорости (времени) ох­лаждения (табл. 5.1).

Таблица 5.1 Изменение структуры и твердости углеродистой стали эвтектоидного состава в зависимости от скорости охлаждения

При ускоренном охлаждении, например на открытом воздухе, распад аустенита произойдет при более низких температурах (~650°С), и образуется более мелкая, чем перлит, тонкопластинчатая смесь ферритаи цементита, которую называют сорбитом(по имени английского ученого Сорби). В отличие от перлита сорбит (С) имеет более высокую твер­дость, механическую прочность и упру­гость при достаточной вязкости.

При дальнейшем ускорении охлаждения (например, в минераль­ном масле) распад аустенита происходит при еще более низких тем­пературах (~550°С) с образованием более мелкой, чем сорбит, высо­кодисперсной смеси ферритаи цементита, которую называют трооститом(по имени французского ученого Трооста). От сорбита троостит (Т) отличается бо­лее высокими твердостью, упругими свойст­вами и меньшей вязкостью. Таким образом, перлит, сорбит и троостит – структуры с одинаковой природой (феррит + цементит), отличающиеся степенью дисперсности феррита и цементита.

При достаточно большой скорости охлаждения (например, в воде) аустенит не успевает распасться на феррито-цементитную смесь и превращается в пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fе, называемый мартенситом(по имени немецкого ученого Мартснса). Аустенит – это твердый раствор углерода в γ-Fе. Однако при охлаждении γ-Fе переходит в α-Fе, а при резком переох­лаждении аустенита углерод не успевает выделиться из него в виде цементита и остается в α-Fе. При комнатной температуре α-Fе способно растворить 0,006 % углерода. В случае же образования мар­тенсита у эвтектоидной стали в решетке α-Fе растворяется ~ 0,8 % углерода, что приводит к сильной деформации кристаллической ре­шетки и повышению тем самым плотности возникающих дислока­ций. Структура мартенсита (М) неравновесная (неустойчивая). Мартенсит очень тверд (НВ = 600 кгс/мм²), хрупок и является основ­ной структурой закаленной стали. Различают темпе­ратуру, при которой начинается превращение аустенита в мартен­сит (Mн) и при которой этот процесс заканчивается (Мк). С увели­чением содержания углерода в стали Мн и Мк снижаются.

При переохлаждении аустенита до температуры, равной или ниже мартенсиной точки (Mн), соответствующей температуре начала превращения переохлажденного аустенита в мартенсит, диффузионные процессы полностью подавляются, и образование структуры, состоящей из феррита и цементита, становится невозможным. В этом случае протекает бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит,  т.е. закаленную сталь.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения: перлитную; область промежуточного превращения (промежуточного между перлитным и мартенситным превращением) и мартенситную.

Перлитная область в углеродистых сталях распространяется на интервал температур от 727 °С до ~550°С. При этих температурах происходит диффузионный распад аустенита с образованием структуры из феррита и цементита – перлита.

Промежуточное превращение протекает при температурах от ~550°С до температуры, соответствующей точке Мн  (см. рис. 4.3). Это превращение обладает рядом особенностей, присущих как перлитному (диффузионному), так и мартенситному (бездиффузионому) превращению. В результате превращения переохлажденного аустенита образуется бейнит.

Мартенситное превращение происходит по бездиффузионному механизму при температуре ниже температуры, соответствующей точке Мн (см. рис. 4.3).

На практике требуемую скорость охлаждения получают путем выбора среды охлаждения. Охлаждают изделия в закрытой и откры­той печах, на воздухе, в минеральном масле или в воде. Самая низ­кая скорость охлаждения – в закрытой печи, самая высокая – в воде (особенно если в ней растворена соль или щелочь). Следова­тельно, изменяя скорость охлаждения аустенита, можно получать стали (изделия) с различными свойствами – от очень мягких и пла­стичных до очень твердых и хрупких.