Мартенсит и остаточный аустенит, составляющие типичную структуру закалённой стали, являются неравновесными фазами. При нагреве они переходят в более устойчивое состояние, распадаясь на феррито-цементитную смесь. Поскольку этот распад носит диффузионный характер, особенности его протекания будут определяться температурой нагрева. Можно выделить 4 типа превращений, каждый из которых протекает в определённом интервале температур.

Первое превращение заключается в распаде мартенсита. Оно протекает в две стадии. На первой стадии, при температурах до 150 °С, происходит выделение из ?-твёрдого раствора (мартенсита) углерода в виде частиц ?-карбидов с гексагональной решёткой. Процесс зарождения карбидов начинается в областях с повышенной свободной энергией:
в районах дефектов строения, где возможно скопление атомов углерода и на границах кристаллов мартенсита. Поставщиком углерода при образовании карбидов является ?-твёрдый раствор, т. е. мартенсит. Поэтому концентрация углерода в участках мартенсита, окружающих частицы карбидов, резко уменьшается, в то время как в более удалённых участках она сохраняется исходной.

Таким образом, в результате низкотемпературного отпуска в стали присутствуют, кроме выделившихся ?-карбидов, два типа мартенсита – с низкой и более высокой концентрацией углерода. Образование ?-карбидов вместо более стабильного цементита Fе₃С обусловлено тем, что сопряжение решёток ?-раствора и ?-карбида лучше. Они когерентно связаны между собой. Поэтому образование критического зародыша ?-карбида более вероятно по сравнению с цементитом Fе₃С.

На этой стадии отпуска аустенит в структуре сохраняется и изменений не претерпевает. На второй стадии распада мартенсита, протекающей при 150–350 °С, в условиях возросшей подвижности атомов углерода, продолжается выделение карбидов. Одновременно происходит их укрупнение и превращение ?-карбидов в цементит. В конечном счёте при температуре около 350 °С содержание углерода в ?-твёрдом растворе становится близким к равновесному, а степень тетрагональности – к единице. Структуру, которую получают в результате отпуска ниже 350 °С, называют мартенситом отпуска. От мартенсита закалки отпущенный мартенсит отличается меньшей концентрацией в нём углерода, включением дисперсных ?-карбидов, когерентно связанных с решёткой мартенсита и имеющих форму тонких пластинок. В результате распада мартенсита при отпуске объём уменьшается.

Второе превращение при отпуске связано с распадом остаточного аустенита. Температурный интервал этого превращения сильно зависит от марки термообрабатываемой стали и колеблется в широких пределах: от 200–300 °С при отпуске высокоуглеродистых и некоторых легированных среднеуглеродистых сталей до 500–600 °С для высоколегированных сталей. Остаточный аустенит превращается в нижний бейнит, т. е. структуру, состоящую из низкоуглеродистого мартенсита и частиц карбидов. Эта структура аналогична структуре, образующейся при тех же температурах при отпуске закалённого мартенсита.

Третье превращение протекает при 300–450 °С. На этой стадии завершается выделение углерода из мартенсита, и тетрагональная структура переходит в кубическую – феррит. Кроме того, завершается карбидное превращение, приводящее к полному переходу ? – Fe_xC в цементит Fe₃С. Когерентность решёток феррита и карбида нарушается и происходит обособление фаз. Полученная в результате отпуска при температуре 300–450 °С структура представляет высокодисперсную феррито-цементитную смесь, по свойствам соответствующую трооститу. Эту структуру называют трооститом отпуска.

При нагреве выше 450 °С интенсифицируются процессы сфероидизации и коагуляции карбидов. Это четвертое превращение при отпуске стали. Очень тонкая феррито-цементитная структура – троостит отпуска при температуре 500–600 °С превращается
в более грубую – сорбит отпуска. Форма ферритных зёрен также становится равноосной. При температурах, близких к критической точке Ас₁, сорбит отпуска превращается в ещё более грубую структуру, получившую название перлит отпуска, или зернистый перлит (зернистый цементит).

Таким образом, изменяя температуру отпуска закалённой стали, можно получить различные структуры – от мартенсита до перлита и соответствующие свойства. Образование зернистых структур способствует повышению предела текучести, ударной вязкости
и улучшению других свойств стали. Во время отпуска происходит снятие внутренних напряжений.