研究钢在加热和冷却时的相变规律是以Fe-Fe₃C相图为基础，Fe-Fe₃C相图临界点A₁、A₃、Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的，因此，钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。升高和降低的幅度，随加热和冷却速度的增加而变化，通常把实际加热温度标为Ac₁、Ac₃、Accm，冷却时标为Ar₁、Ar₃、Arcm。
（1）钢在加热时的转变
钢加热到Ac₁点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ac₃和Accm点以上时，便全部转变为奥氏体，热处理加热最主要的目的就是为了得到奥氏体，因此这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。
①钢的奥氏体化 共析钢在室温下的组织为单一的珠光体，加热到Ac₁点以上时，由于铁原子的晶格改组和渗碳体逐步溶解而形成奥氏体，随后在保温的过程中，通过碳原子的扩散使奥氏体成分均化，最后得到单相均匀的奥氏体。
亚共析钢和过共析钢加热时的组织转变与共析钢相似，不同的是亚共析钢（或过共析钢）在Ac₁~Ac₃（或Ac₁~Accm）时尚有一部分未溶的先共析铁素体（或二次渗碳体）存在，因此亚共析钢和过共钢都必须加热到Ac₃或Accm以上才能完全奥氏体化，得到单相的奥氏休组织，这种加热称为完全奥氏体化。否则，加热温度在Ac₁~Ac₃或Ac₁~Accm时称为不完全奥氏体加热。
②奥氏体晶粒的长大及其控制
奥氏体晶粒的大小对随后冷却时的转变及转变产物的性能有重要的影响。在珠光体刚转变为奥氏体时，大量的晶核造就了细小的奥氏体晶粒，但随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒就会自发地长大。奥氏体晶粒愈粗大，冷却转变产物的组织愈粗大，冷却后钢的力学性能愈差，特别是冲击韧度明显降低，所以在淬火加热时，总是希望得到细小的奥氏体晶粒。因此，严格控制奥氏体的晶粒度，是热处理生产中一个重要的问题。奥氏体晶粒的大小是评定加热质量的指标之一。凡是晶粒度超过规定时就成为一种加热缺陷（过热），必须进行返修。重要的刃具淬火时都要对奥氏体晶粒度进行金相评定，以保证淬火后有足够的强度和韧性。
在工程实际中，常从加热温度、保温时间和加热速度几方面来控制奥氏体晶粒的大小。在加热温度相同时，加热速度愈快，保温时间愈短，奥氏体晶粒愈小。因而利用快速加热、短时保温来获得细小的奥氏体晶粒。
（2）钢在冷却时的转变---同素异构转变
冷却过程是热处理的关键工序，其冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。实际生产采用的冷却方式主要有连续冷却（如炉冷、空冷、油冷、水冷等）和等温冷却等。
所谓等温冷却是指将奥氏体化的钢件迅速冷至Ar₁以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温。连续冷却则是指将奥氏体化的钢件连续冷却到室温，并在连续冷却过程中发生组织转变。
为了研究奥氏体的冷却转变规律，通常采用两种方法：一种是在不同的过冷度下进行等温冷却测定奥氏体的转变过程，绘出奥氏体等温转变曲线；另一种是在不同的冷却速度下进行连续冷却测定奥氏体的转变过程，给出奥氏体连续冷却转变曲线。奥氏体在临界点以上为稳定相，能够长期存在而不发生转变，但过冷到Ar₁线以下的奥氏体并不立即转变，要经过一段孕育期才开始变，这种在孕育期暂时存在的奥氏体称为过冷奥氏体。钢在冷却时的组织转变实质上是过冷奥氏体的组织转变。
①过冷奥氏体的等温冷却转变在不同的过冷度下，反映过冷奥氏体转变产物与时间关系的曲线称为过冷奥氏体等温转变的动力学曲线。由于曲线的形状像字母C，故又称为C曲线。
共析碳钢过冷奥氏体在Ar₁线以下不同的温度会发生三种不同的转变，即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。
а.珠光体转变（A₁~550℃）。共析成分的奥氏体过冷到Ar₁~550℃之间等温停留时，将发生共析转变，转变产物为珠光体型组织，都是由铁素休（F）和渗碳体（Fe₃C）组成的层片相同机械混合物。由于过冷奥氏体向珠光体转变温度不同，珠光体中F和Fe₃C片的厚度也不同。在过冷度较小时（Ar₁~650℃），片间距较大（>0.4μm），称为珠光体（P）；在650~600℃范图内,片间距较小（0.4~0.2μm），称为索氏体（S）；在600~550℃范围内，由于过冷度较大，片间距很小（<0.2μm），这种组织称为托氏体（T）。珠光体组织中的片间距愈小，相界面愈多，塑性变形抗力愈大，强度和硬度愈高；同时由于渗碳体变簿，使得塑性和韧性也有所改善。
b.贝氏体转变（550℃~Ms）。共析成分的奥氏体过冷到大约550~230℃的中温区内停留，便发生过冷奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体（B）。由于过冷度较大，转变温度较低，贝氏体转变时只发生碳原子的扩散而不发生铁原子的扩散。因而，贝氏体是由含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的两相混合物。
按组织形态和转变温度，可将贝氏体组织分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）两种。上贝氏体是在550~350℃温度范围内形成的，由于其脆性较高，基本无实用价值，在此不予讨论；下贝氏体是350℃~Ms 点温度范围内形成的。它由含过饱和的细小针片状铁素体和在铁素体片内弥散分布的碳化物组成。因此，它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体，以提高材料的强韧性。
c.马氏体转变（Ms以下）。当过冷奥氏体被快速冷却到Ms点以下时便发生马氏体（M）转变，它是奥氏体冷却转变最重要的产物。奥氏体为面心立方晶体结构。当过冷至Ms以下时，其晶体结构将转变为体心立方晶体结构。由于转变温度较低，原奥氏体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出，从而使晶格发生畸变，含碳量越髙，畸变越大，内应力也越大。马氏体实质上就是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙固溶体。
马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量，其强度与硬度随碳含量的增加而增加。当wc 低于0.2%时，可获得呈一束束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条状马氏体。当钢的组织为板条状马氏体时，具有较高的硬度和强度、较好的塑性和韧性。当马氏体中wc 大于0.60%时，得到针片状马氏体。针片状马氏体具有很高的硬度，但塑性和韧性很差，脆性大。当wc 在0.2%~06%之间时，低温转变得到板条状马氏体与针片状马氏体混合组织。随着碳含量的增加，板条状马氏体量减少而针片状马氏体量增加。
马氏体相变是在Ms -Mf 之间进行的（如共析碳钢为240~-50℃）。Ms 是马氏体开始形成的温度，它随火温度增加而稍有下降。Mf 是马氏体转变终止的温度，它通常为零下几十度。实际进行马氏体转变的淬火处理时，冷却只进行到室温，这时，奥氏体不能全部转变成为马氏体，还有少量的奥氏体未发生马氏体转变而残留下来，称为残余奥氏体。过多的残余奥氏体会降低钢的强度、硬度和耐磨性。由于残余奥氏体为不稳定组织，在钢件使用过程中易发生转变而导致工件产生内应力，引起变形、尺寸变化，从而降低工件精度。因此，生产中常对硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后迅速将其置于接近Mf 的温度下，促使残余奥氏体进一步转变成马氏体，这一工艺过程称为“冷处理”。
亚共析碳钢和过共析碳钢过冷奥氏体的等温转变曲线与共析碳钢的奥氏体等温转变曲线相比，亚共析碳钢的C曲线上多出一条先共析铁素体析出线，而过共析碳钢的C曲线上多出一条先共析二次渗碳体的析出线。
通常，亚共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加而右移，过共析碳钢的C曲线随着含碳量的增加而左移。故在碳钢中，共析碳钢的C曲线最靠右，其过冷奥氏体最稳定。
②过冷奥氏体连续冷却转变在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却中转变的。如钢退火时的炉冷，正火时的空冷，火时的水冷等。因此，研究过冷奥氏体在连续冷却时的组织转变规律有重要的意义。共析碳钢的连续冷却转变过程中，只发生珠光体和马氏体转变，而不发生贝氏体转变。
过共析碳钢的连续冷却转变C曲线与共析碳钢相比，除了多出一条先共析渗碳体的析出线以外，其他基本相似。但亚共析碳钢的连续冷却转变C曲线与共析碳钢却大不相同，它除了多出一条先共析铁素体析出线以外，还出现了贝氏体转变区。因此，亚共析碳钢在连续冷却后可以出现由更多产物组成的混合组织。