Сталь со структурой аустенита, быстро охлаждённая до температуры ниже Аr₁ (т. е. переохлаждённая), оказывается в метастабильном состоянии и претерпевает превращение. Для его описания строят так называемые диаграммы изотермического превращения аустенита, отражающие степень распада аустенита во времени при разных температурах. Образцы стали, быстро охлаждённые до определённой температуры, выдерживают при этой температуре, контролируя количество распавшегося аустенита.

На рис. 31 приведена диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали, где П, Б, М – области перлитного, бейнитного и мартенситного превращений; М_н – температура начала превращения аустенита в мартенсит; М_к – температура конца превращения. Левая С-образная кривая характеризует начало распада, правая кривая показывает время, когда процесс распада полностью заканчивается (или приостанавливается). Область, расположенная левее кривой начала распада, определяет продолжительность инкубационного периода, в течение которого распад аустенита экспериментально не фиксируется.

Рис. 31. Схема диаграммы изотермического распада переохлаждённого аустенита эвтектоидной стали

Из рис. 31 видно, что устойчивость аустенита с увеличением степени переохлаждения сначала быстро уменьшается, что связано с возрастанием разности свободных энергий аустенита и образующих-
ся фаз. При дальнейшем увеличении степени переохлаждения устойчивость аустенита вновь повышается, что вызывается снижением скорости образования новых фаз и их роста в результате замедления диффузионных процессов.

При температурах, соответствующих точке М_Н и более низких, процессы диффузии полностью подавляются. Происходит сдвиговое бездиффузионное фазовое превращение аустенита
в структуру закалённой стали, называемую мартенситом. Мартенситное превращение обусловливается упорядоченным перемещением атомов, причем такие перемещения малы по сравнению с междуатомным расстоянием.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения: перлитную, мартенситную и бейнитную (промежуточную) между ними, в которых соответственно протекают перлитное, мартенситное и бейнитное превращения.

Рассмотрим эти превращения.