Разработан алгоритм причинно-следственных связей физико-химических и структурных факторов с формированием науглероженных метастабильных слоёв и свойств конструкционных сталей в процессе их эволюции. Построена физико-математическая модель дифференцированно-градиентного распределения углерода и легирующих элементов по глубине науглероженного слоя при цементации сталей 25ХГТ и 50Г через влияние на мартенситную точку $M_{\textrm{н}}$, что демонстрирует распределение фазово-структурного состава и в особенности метастабильного остаточного аустенита ($A_{\textrm{ост}}$). От этого распределения зависит степень метастабильности $A_{\textrm{ост}}$ и кинетика его деформационного мартенситного $\gamma_{\textrm{ост}} \rightarrow \alpha^{'}$-превращения в процессе изнашивания (ДМПИ), что положительно влияет на показатели износостойкости и эксплуатационную долговечность сталей. Теоретически и экспериментально установлено распределение положения точки $M_{\textrm{н}}$, количества $A_{\textrm{ост}}$ и градиентное изменение микроструктуры по глубине цементированного слоя стали 50Г после закалки от разных температур (от 800 до 1000°C). Получены квадратичные полиномиальные уравнения регрессии зависимости точки $M_{\textrm{н}}$, содержания углерода и количества $A_{\textrm{ост}}$ от глубины цементированного слоя, которые подтверждены экспериментально. Установлена закономерность распределения износостойкости по глубине науглероженного слоя стали 25ХГТ после плазменной закалки при 1200–1300°C, которая достаточно высока ($\epsilon_T$ = 6,2–5,3) до глубины $\sim$ 0,4 мм, когда количество $A_{\textrm{ост}}$ составляет 67–48%, и уменьшается до $\epsilon_T$ = 1,0–1,1 на глубине 1,3–1,4 мм (когда $A_{\textrm{ост}}$ отсутствует). Разработанный алгоритм и построенная физико-математическая модель процесса насыщения углеродом слоёв конструкционных сталей при цементации с регулированием градиентного распределения фазово-структурных модификаций по их толщине позволяют эффективно использовать метастабильные состояния $A_{\textrm{ост}}$, реализующие $\gamma_{\textrm{ост}} \rightarrow \alpha^{'}$-ДМПИ, за счёт выбора технологий термической обработки для повышения эксплуатационного ресурса металлоизделий.