Рисунок 7.2 – Схема феррито-цементитных структур

При температуре 600–650° С образуется сорбит, а при 550–600° С — троостит. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы — механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют, стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью. Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита протекает в температурной области между перлитным и мартенситным превращениями. Кинетика этого превращения и получающиеся структуры имеют черты кинетики и структур, получаемых при диффузионном перлитном и бездиффузионном мартенситном превращениях: диффузионное перераспределение углерода в аустените между продуктами его распада и мартенситное бездиффузионное превращение ά → γ.  В результате бейнитного превращения образуется смесь ά -фазы (феррита) и карбида, которая называется бейнитом . Карбид в бейните не имеет пластинчатого строения, свойственного перлиту. Карбидные частицы в бейните очень дисперсны, их можно видеть только под электронным микроскопом. Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 ⁰С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение.

Пластичность при переходе из перлитной области в бейнитную (верхний бейнит) падает, а затем с понижением температуры вновь возрастает (нижний бейнит). Снижение пластичности в области верхнего бейнита связано с выделением сравнительно грубых карбидов преимущественно по границам ферритных кристаллов. В нижнем же бейните частицы карбидов расположены внутри кристаллов ά -фазы, и поэтому при высокой прочности в стали  с верхним бейнитом сохраняется высокая вязкость.

При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 ⁰С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита, несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0, 006 % при комнатной температуре. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ά -железе, который называется мартенситом. Из-за пресыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, в которой отношение периодов решетки существенно отличается от единицы (рис. 7. 3).

Рисунок 7. 3 – Тетрагональная  кристаллическая ячейка

дислокации в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформируемой стали, и равняется 10¹⁰–10¹² см^–2. Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Пластины мартенсита растут до границы аустенитного зерна либо до имеющегося в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым (60°, 120°), ограничены их размерами. Мартенситное превращение в отличие от перлитного никогда не идет до конца, поэтому в стали всегда есть определенное количество остаточного аустенита. На мартенсит­ную точку скорость охлаждения не влияет. Минимальная скорость охлаждения, необхо­димая для переохлаждения аустенита до мар­тенсита, называется критической скоростью за­калки.

Структура закаленной стали зависит от ее химического состава и условий закалки (температуры нагрева и режима охлаждения).

Закалка стали с очень низким содержанием углерода (до 0, 025 – 0, 03%) с нагревом лишь немного выше линии PQ задерживает выделение третичного цементита по границам зерен. Основная структура – феррит – не изменяет строения. Такая закалка повышает пластичность и почти не изменяет прочностных характеристик. Однако последующее строение, возникающее при нагреве 300 – 400° или при холодной деформации, способствует выделению частиц третичного цементита и вновь снижает пластичность.

Закалка низкоуглеродистой стали с 0, 08 – 0, 15% С (с нагревом выше Aс₃ и охлаждением в воде) несколько повышает твердость и прочность; структура такой стали – мартенсит и сохранившийся феррит (рис. 7. 4).