Сталь, нагретая выше линии GSE (рис. диаграмма состояния сплавов железа и углерода), переходит в состояние твердого раствора углерода в железе, имеющего решетку куба с центрированными гранями (у-железо). При быстром охлаждении в воде с этой температуры сталь становится очень твердой и хрупкой, т. е. получает полную закалку.

При медленном охлаждении сначала выпадает феррит при температуре от Аг3 до Аr1 или цементит при температуре от Асm до а затем оставшийся твердый раствор при температуре Аr1 превращается в перлит.

Закаленная сталь. Мартенсит. x500

Рис. 5 Закаленная сталь. Мартенсит. x500

При быстром охлаждении, например со скоростью 150– 200° в секунду, эти нормальные превращения не успевают произойти. Аустенит переохладится без изменений до 300–200° и лишь при дальнейшем охлаждении он перейдет в новую структуру, но теперь уже не в обычный перлит, а в мартенсит – особую структуру закаленной стали, имеющую игольчатое строение. Строение мартенсита в виде пересекающихся мелких игл, типичное для закаленной стали, изображено на рис. 5. Сталь с мартенситной структурой обладает очень большой твердостью (На необходимость такого охлаждения стали при закалке впервые указал Д. К. Чернов).

Мартенсит представляет собою пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Здесь решетка γ-железа перестроилась в решетку α-железа, но углерод в результате быстрого охлаждения не успел выделиться из раствора (Как показал Г. В. Курдюмов, кубическая решетка железа при этом искажается и приобретает тетрагональную форму. Степень вытянутости ячейки мартенсита увеличивается с повышением содержания углерода в мартенсите).

Кроме мартенсита, в структуре закаленной стали остается аустенит. Чем больше углерода в стали, тем больше в ней может сохраниться остаточного аустенита. В стали с 0,5% С остаточного аустенита около 5%, а при 1,2% С – уже около 20%. Прибавляя в сталь некоторые специальные примеси (Мn, Ni, Сr), можно сохранить больший процент аустенита в закаленной стали и даже получить полностью аустенитную структуру. Такая сталь магнитом уже не притягивается.

Чем выше температура нагрева стали перед закалкой, тем крупнее иглы мартенсита и тем выше его хрупкость.
Нагрев доэвтектоидной стали до температуры, лежащей между Ас1 и Ас3 (для заэвтектоидной стали между Ас1 и Асm), с последующим быстрым охлаждением называется неполной закалкой. При нагреве в промежутке температур Ас1–Ас3 сталь будет в состоянии аустенит + феррит. При быстром охлаждении аустенит переходит в мартенсит, а феррит остается неизменным. Таким образом, при неполной закалке доэвтектоидной стали структура ее состоит из феррита и мартенсита, а твердость получается невысокой.

Нагрев заэвтектоидной стали до температур между Ас1 и Асm вызывает в ней образование аустенита при сохранении вторичного цементита. При быстром охлаждении аустенит перейдет в мартенсит, а цементит не изменится. Структура окажется состоящей из мартенсита и цементита, при этом твердость будет высокой.