Механизм распада мартенсита при нагреве детально исследован Курдюмовым с сотрудниками. Оказалось, что процесс распада мартенсита при нагреве закаленной стали состоит в зарождении и росте кристаллов карбидной фазы и в снижении вследствие этого концентрации углерода в мартенсите. При низкотемпературном отпуске диффузия углерода в мартенсите затруднена, и при росте карбидных частиц используется лишь углерод мартенсита, расположенный в непосредственной близости от зародышей. В тех же участках, где карбидные зародыши не образовались, мартенсит продолжает сохранять исходное пересыщение. Важную роль в образовании зародышей карбида играют дислокации. Одна из возможных схем образования карбидной фазы на дислокациях в мартенсите рассмотрена в работе.

Повышение температуры приводит к диффузии углерода и вакансий в мартенсите и к укрупнению карбидных частиц, что происходит в результате коалесценции и дальнейшего обеднения мартенсита углеродом и увеличения объема мартенсита, который питает каждую растущую карбидную частицу. Чем выше температура отпуска, тем крупнее карбидные кристаллы и тем беднее мартенсит углеродом. Уже при сравнительно низких температурах отпуска, начиная с 300-350°, пластины и иглы мартенсита превращаются в ферритные кристаллы. Эти кристаллы сначала сильно напряжены; при дальнейшем нагреве напряжения ослабляются.

Повышение температуры ускоряет коалесценцию карбидных частиц и вызывает полигонизацию и рекристаллизацию феррита. Рекристаллизация феррита, содержащего диспергированные дисперсные карбидные кристаллы, более затруднена, начинается она при значительно более высоких температурах, чем в железе. Изменение величины ферритных зерен в зависимости от температуры и длительности отпуска закаленной стали описано в работе, где показано, что с повышением температуры ускоряется и сфероидизация карбидных кристаллов. Карбидные частицы пластинчатой формы, образовавшиеся при низких температурах, в процессе сфероидизации становятся равноосными.