Под мартенситом — структурой закаленной стали современное металловедение понимает пересыщенный твердый раствор углерода и a-железе. Внедрение атомов углерода в объемноцентрированную решетку приводит к возникновению целого ряда неоднородностей в тонкой структуре сплава: искажению решетки, дроблению зерен на фрагменты, измельчению блоков, увеличению степени их раз-ориентировки. Аустенитно-мартенситное превращение является бездиффузионным, поэтому содержание в мартенсите углерода соответствует содержанию в аустените в момент, предшествующий закалке.

Фиг.1 -Влияние углерода (а) и легирующих элементов (б) на твердость мартенсита и бейнита

На фиг. 1 приводится влияние содержания углерода и легирующих элементов на твердость мартенсита, а также влияние легирующих элементов на твердость мартенсита и бейнита низкоуглеродистой (С =0,15%) конструкционной стали. Как видно (фиг. 1, а), твердость мартенсита в основном определяется содержанием углерода, а не характером легированности стали. Значительно отчетливее и ярче проявляется влияние легирующих элементов при закалке низкоуглеродистой стали на бейнит. Так, если сравнить повышение твердости, приходящееся на первый процент легирующего элемента, то оказывается, что по степени эффективности легирующие элементы можно расположить в такой последовательности: 0,10% С вызывает повышение твердости на 43 единицы (по Виккерсу); 1% Мn на 96; 1% Ni на 23; 1 % Сг на 136; 1 % Мо на 64; 1 % W на 60 и 1 % V на 90 единиц.
Нагрев закаленной стали под отпуск приводит не только к изменениям в структуре стали (тонкой микроструктуре), но и к появлению неоднородности ее состава в микрообъемах. Чем дальше пройдет этот процесс, чем больше выделится из пересыщенного твердого раствора углерода (цементита), чем дальше пройдут процессы коагуляции карбидной фазы, тем сильнее все свойства отпущенной стали будут отличаться от свойств закаленной. Легирующие элементы, входя в состав твердых растворов (аустенита, мартенсита), влияют на скорость и температуру протекания процессов превращения, изменяя состав, дисперсность и нередко — форму распределения карбидов в микрообъемах, а также состав и свойства металлической основы. Отсюда и их влияние на механические, физические (магнитную проницаемость, электропроводность) и химические (склонность к коррозии) свойства стали.

Фиг.2 -Кривые изменения ударной вязкости с повышением температуры отпуска: а-углеродистая сталь; б-легированная сталь; 1,2,4,5-охлаждение в масле;3-охлаждение с печью.

На фиг. 2 приводятся схематические кривые, характеризующие определенные закономерности в изменении ударной вязкости с температурой отпуска закаленной углеродистой стали. Большинство легирующих элементов (Сг, Mo, W, V, Ti, Si) повышает устойчивость пересыщенного твердого раствора a-железа, сдвигая процессы распада в сторону более высоких температур на десятки и сотни градусов. Марганец и никель мало влияют на устойчивость этого раствора, а по данным даже несколько понижают ее. Особенно тормозят распад мартенсита кремний, молибден, вольфрам и ванадий.
Легирующие элементы оказывают существенное влияние также на дисперсность карбидов и процесс их коагуляции. В то время, как С, Ni и Со способствуют коагуляции карбидных частиц в процессе изотермического отпуска, V, Мо, Сг и Si благоприятствуют получению карбидных частиц более высокой степени дисперсности.