由铁碳合金状态图可知，钢在平衡条件下的固态相变点分别为A1、A3和Acm。实际加热和冷却条件下，钢发生固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度。为了与平衡条件下的相变点相区别，通常将在加热时实际的相变点分别称为Ac1、Ac3、Accm，在冷却时实际的相变点分别称为Ar1、Ar3、Arcm，如图3－2所示。
图3－1 热处理工艺曲线
图3－2 钢在加热和冷却时的相变点
3.1.1 奥氏体的形成过程
加热是热处理的第一道工序，其目的主要是使钢奥氏体化。下面以共析钢为例，研究钢在加热时的组织转变规律。
常温下共析钢的组织是珠光体。当珠光体被加热到AC1时，就转变成含碳量为0.77％的奥氏体。这时，在珠光体的铁素体和渗碳体中，一方面，铁原子要重新排列成为面心立方晶格，另一方面，渗碳体中多余的碳原子向铁素体那里扩散。由于铁原子的移动和碳原子的扩散都有一定阻力，所以，由珠光体变成为奥氏体，不可能在一瞬间完成，而是有一个转变过程，这个过程称为奥氏体的形成过程。实验表明，奥氏体的形成过程也遵循金属结晶的一般规律，即通过形核和长大过程完成。其转变过程可归纳为四个阶段，如图3－3所示。
图3－3 共析钢奥氏体的形成过程
1.奥氏体的形核
当钢加热到Ac1以上温度时，珠光体处于不稳定状态，在铁素体和渗碳体两相界处形成奥氏体晶核（A晶核）。这是由于相界面处的成分不均匀，原子排列比较紊乱，为奥氏体晶核的形成提供了结构与浓度条件，使奥氏体晶核优先在铁素体和渗碳体相界面上形成。
2.奥氏体晶核的长大
奥氏体晶核的长大是在A晶核附近的铁原子陆续成为面心立方晶格，F向A转变，而碳原子则从高浓度处向低浓度处扩散，使Fe3C溶于A中，使A晶核逐渐长大成为含碳量为0.77％的A。
3.残余Fe3C的溶解
A转变结束时，渗碳体并未完全溶解，需要保温一段时间，使残余Fe3C继续不断地溶入A，直至完全消失。
4.奥氏体成分的均匀化
当残余Fe3C全部溶解后，刚转变成的A晶粒含碳量是不均匀的，因此还需要一定时间，使碳原子继续扩散，最后成为含碳均匀的A晶粒。
钢中含碳量增加，铁素体和渗碳体总的相界面增大，加速奥氏体的形成；但过共析钢相界面较共析钢少，奥氏体化所需时间增多，故具有共析钢成分的碳钢，奥氏体形成速度快。
3.1.2 奥氏体晶粒的长大及控制
1.奥氏体晶粒的长大
当珠光体向奥氏体转变刚完成时，由于奥氏体是在片状珠光体的两相（铁素体与渗碳体）界面上形核、晶核数量多，获得细小的奥氏体晶粒。随着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒就长大，因为高温下原子扩散能力增强，通过大晶粒“吞并”小晶粒可以减少晶界表面积，从而使晶界表面能降低，奥氏体组织处于更稳定的状态。奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后的力学性能。加热时获得的奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性较好，韧度较高；反之，粗大的奥氏体晶粒冷却后转变的产物晶粒也粗大，其强度、塑性较差，特别是韧度显著降低。
2.奥氏体晶粒大小的控制
（1）加热温度和保温时间。加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体晶粒越粗大。因此，必须严格控制加热温度。当加热温度一定时，随着保温时间延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢，不会无限长大下去，所以，延长保温时间的影响要比提高加热温度小得多。
（2）加热速度。当加热温度一定时，加热速度越快，则过热度越大（奥氏体化的实际温度越高），形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小；此外，加热速度越快，则加热时间越短，晶粒越来不及长大，所以快速短时加热是细化晶粒的重要手段之一。
（3）加入Al、Nb、V、Ti、Zr等合金元素，合金元素一般都能阻碍奥氏体晶粒的长大，即能细化晶粒。
3.1.3 奥氏体晶粒度
晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。
常用的奥氏体晶粒度分为10级。1～4级为粗晶粒，5～8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
按照奥氏体形成过程和长大情况，奥氏体有三种不同概念的晶粒。
1.起始晶粒度
钢被加热时，珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的晶粒大小，称为起始晶粒度。它比较细小，但在继续加热或保温时，就要长大。
2.实际晶粒度
钢在热处理和热加工条件下，实际获得的奥氏体晶粒大小，称为实际晶粒度。它的大小直接影响钢材的性能。一般它比起始晶粒度大，因为生产中都有升温和保温过程，使晶粒长大。
3.本质晶粒度
本质晶粒度是指在规定的工艺条件下，奥氏体晶粒长大的倾向性，如图3－4所示。有些钢加热到临界点后，随着温度的升高，奥氏体晶粒迅速长大。这类钢称为本质粗晶钢。另一类钢在930℃以下加热时，奥氏体实际晶粒长大很缓慢，保持了细晶，只有在加热到更高温度时，奥氏体晶粒才急剧长大，这类钢称为本质细晶粒钢。
图3－4 钢的本质晶粒度示意图
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