При медленном охлаждении стали, называемом отжигом, происходит превращение одних структурных составляющих в другие, устойчивые при низких температурах. При медленном охлаждении стали, содержащей 0,9% углерода, аустенит распадается и сталь дает перлитную структуру. Если углерода будет меньше указанного количества, то образуется смесь феррита и перлита (рис. 74). Если содержание углерода будет больше 0,9%, например, 1,2%, то образуется смесь цементита и перлита.
При быстром охлаждении стали, которое называется закалкой, аустенит не успеет разложиться и образуется аустенитная структура, обладающая большой твердостью. При очень быстром охлаждении стали образуется своеобразный коллоидный раствор цементита в f-железе, обладающий игольчатой структурой и называемый мартенситом. Такая сталь имеет особенно большую твердость.
Для снижения хрупкости закаленную сталь иногда подвергают отпуску. Для этого сталь нагревают до определенной температуры, а затем медленно охлаждают.
В зависимости от содержания углерода в стали и в зависимости от скорости ее охлаждения получают сталь с определенными свойствами, с определенной твердостью и определенной упругостью.
Помимо термической обработки, сталь иногда подвергают химической обработке. При этом состав стали и ее физические свойства изменяются только в поверхностном слое.
Для придания твердости и износостойкости поверхности стали ее подвергают цементации или азотированию.
Цементацией называется насыщение поверхностного слоя стали углеродом. Оно проводится путем нагревания готовых изделий в атмосфере метана (природного газа), а также в твердых смесях, в состав которых входит углерод.
Азотированием называется насыщение стали азотом, который с железом и легирующими элементами дает нитриды. Азотирование проводится путем нагревания стальных изделий в атмосфере аммиака. Азот, образующийся в результате диссоциации аммиака, диффундирует в сталь и образует слой (0,5—2 мм), обладающий повышенной твердостью.
Для придания стальным изделиям жаростойкости их поверхность насыщают алюминием. Этот вид химико-термической обработки называют алитированием или калоризацией. Его проводят путем нагревания изделий в смеси, состоящей из алюминиевой пудры и окиси алюминия с небольшой добавкой хлористого аммония. Алитированные изделия обладают повышенной стойкостью при высоких температурах.