热处理后，钢的力学性能主要取决于奥氏体经冷却转变后所获得的组织，而冷却方式和冷却速度对奥氏体的组织转变有直接关系。实际生产中常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种。
1.等温冷却
奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到相变点（ A 1 线）以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，称为过冷奥氏体。然后进行保温，使过冷奥氏体在等温下发生组织转变，转变完成后再冷却到室温，等温退火、等温淬火等均属于等温冷却方式。
等温冷却方式有利于研究冷却过程中的组织转变。以共析钢为例，将奥氏体化的共析钢以不同的冷却速度急冷至 A 1 线以下不同温度保温，使过冷奥氏体在等温条件下发生相变。测出不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时间和终了时间，并分别画在温度-时间坐标上，然后将转变开始和转变终了的点分别连接起来，即得共析钢的过冷奥氏体等温转变图，如图1-20所示。图中 A 1 、 Ms 两条温度线划分出上、中、下三个区域， A 1 线以上是稳定奥氏体区； Ms 线以下是马氏体转变区； A 1 和 Ms 线之间的区域是过冷奥氏体等温转变区。
图中转变开始线和转变终了线又把等温转变区划分为左、中、右三个区域：转变开始线左侧是过冷奥氏体区；转变终了线右侧是转变产物区；两条线之间是过冷奥氏体部分转变区。过冷奥氏体的等温转变图表示了一定成分的钢经奥氏体化后，等温冷却转变的时间-温度-组织关系，是制订钢热处理工艺的重要依据。
共析钢过冷奥氏体等温转变产物可分为三个类型：
（1）高温转变产物 在727～550℃之间等温转变的产物属珠光体组织，都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物。过冷度越大，层片越细小，钢的强度和硬度也越高。依据组织中层片的尺寸，又把727～650℃之间等温转变的组织称为粗片状珠光体；在650～600℃之间等温转变的组织称为索氏体（S），在600～550℃之间等温转变的组织称为托氏体。
图1-20 共析钢过冷奥氏体的等温转变图
（2）中温转变产物 在550～230℃之间等温转变的产物属贝氏体型组织，它是由含碳量过饱和的铁素体和微小的渗碳体混合而成的一种非层片组织。在550～350℃范围内，碳原子有一定的扩散能力，在铁素体片的晶界上析出不连续短杆状的渗碳体，这种组织称为上贝氏体（B 上 ），在光学显微镜下呈羽毛状。因为上贝氏体强度、硬度较高（40～48HRC），而塑性较低，脆性较大，所以生产中很少采用。在350℃～ Ms 范围内，碳原子的扩散能力更弱，难以扩散到片状铁素体的晶界上，只能沿与晶轴呈55°～60°夹角的晶面上析出断续条状渗碳体，这种组织称为下贝氏体（B 下 ），呈黑色针状。下贝氏体具有高的强度和硬度（48～55HRC）及良好的塑性和韧性，综合力学性能好，生产中常采用等温转变获得下贝氏体组织。
（3）低温转变产物 在 Ms 线以下范围内，铁、碳原子都已失去扩散的能力，但由于过冷度很大，过冷奥氏体的晶格结构发生变化，将碳全部过饱和固溶于α-Fe晶格内，这种转变属于非扩散型转变，也称为低温转变，转变产物为马氏体（M）。马氏体的转变是在 Ms ～ Mf 范围内不断降温的过程中进行的，冷却中断，转变随即停止，继续降温，马氏体转变继续进行，直至冷却到 Mf 点温度，转变终止。 Ms 为马氏体转变开始温度， Mf 为马氏体转变终了温度。马氏体转变至环境温度下仍会保留一定数量的奥氏体，称为残留奥氏体，以A′或A 残 表示。
马氏体的组织形态主要取决于过冷奥氏体的碳含量，当奥氏体碳含量小于0.2%（质量分数）时，钢淬火后几乎全部形成板条马氏体，也称低碳马氏体或位错马氏体，其立体形态呈平行成束分布的板条状，板条马氏体硬度在50HRC左右，具有较高的强韧性；当奥氏体碳含量大于1.0%（质量分数）时，钢淬火后几乎全部形成针状马氏体，也称高碳马氏体或孪晶马氏体，其立体形态呈双凸透镜状。当奥氏体中碳含量介于两者之间时，则得到两种马氏体的混合组织。针状马氏体硬度随马氏体中碳含量增加而增加，马氏体硬度高达60～65HRC。