Розроблено алгоритм причинно-наслідкових зв’язків фізико-хімічних і структурних факторів з формуванням навуглецьованих метастабільних шарів та властивостей конструкційних сталей в процесі їх еволюції. Побудовано фізико-математична модель диференційовано-градієнтного розподілу Карбону та легуючих елементів по глибині навуглецьованого шару при цементації сталей 25ХГТ і 50Г за рахунок впливу на мартенситну точку $M_{\textrm{п}}$, що демонструє кількісний розподіл фазово-структурного складу та в особливості метастабільного залишкового аустеніту ($A_{\textrm{зал}}$). Від цього розподілу залежить ступінь метастабільності $A_{\textrm{зал}}$ та кінетика його деформаційного мартенситного $\gamma_{\textrm{зал}} \rightarrow \alpha^{'}$-перетворення в процесі зношування (ДМПЗ), що позитивно впливає на показники зносостійкості та експлуатаційну довговічність сталей. Теоретично та експериментально встановлено розподіл положення точки $M_{\textrm{п}}$, кількості $A_{\textrm{зал}}$ та градієнтну зміну мікроструктури по глибині цементованого шару сталі 50Г після гартування від різних температур (від 800 до 1000°С). Одержано квадратичні поліноміальні рівняння регресії залежності точки $M_{\textrm{п}}$, вмісту Карбону та кількості $A_{\textrm{зал}}$ від глибини цементованого шару, які підтверджено експериментально. Встановлено закономірність розподілу зносостійкості по глибині навуглецьованого шару сталі 25ХГТ після плазмового гартування за 1200–1300°С, яка є достатньо високою ($\epsilon_T$ = 6,2–5,3) до глибини $\sim$ 0,4 мм, коли кількість $A_{\textrm{зал}}$ складає 67–48%, та зменшується до $\epsilon_T$ = 1,0–1,1 на глибині 1,3–1,4 мм (коли $A_{\textrm{зал}}$ відсутній). Розроблений алгоритм і побудована фізико-математична модель процесів насичення Карбоном шарів конструкційних сталей при цементації з регулюванням градієнтного розподілу фазово-структурних модифікацій по їх товщині дозволяють ефективно використовувати метастабільні стани $A_{\textrm{зал}}$, що реалізують $\gamma_{\textrm{зал}} \rightarrow \alpha^{'}$-ДМПЗ, за рахунок вибору технологій термічної обробки для підвищення експлуатаційного ресурсу металовиробів.