实际生产中，奥氏体冷却速度较快，必须过冷到A1温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。
过冷奥氏体有两种冷却转变方式：等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点（Ar1或Ar3）以下等温时过冷奥氏体发生的转变，波浪线表示相转变；连续冷却转变是指工件奥氏体化后，以不同冷却速度连续冷却时过冷奥氏体发生的转变。
1、过冷奥氏体的等温转变
等温转变是指加热到奥氏体化的钢，冷却到临界点以下保持温度不变时，过冷奥氏体所发生的转变。现以共析钢为例，介绍等温转变曲线及转变产物。
1）过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
过冷奥氏体等温转变曲线是通过实验的方法求得的，用来描述过冷奥氏体在A1以下各温度等温时的等温转变情况，因曲线形状与英文字母“C”相似，故又常称为“C曲线”。图中左边曲线为过冷奥氏体转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的左边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物区，转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。过冷奥氏体在各个温度等温时，都要停留一段时间才开始转变，通常把这一停留时间（即转变开始线与纵坐标轴之间的距离），称为孕育期。在Ｃ曲线拐弯的“鼻尖”处（约550℃），孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，最容易分解。水平线MS为马氏体转变开始线（约230℃），水平线Mf为马氏体转变终了线（约－50℃）。图中A′表示剩余奥氏体，即淬火冷却到室温后残留的奥氏体。
2、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能
过冷奥氏体等温转变可分为珠光体型转变、贝氏体型转变。
（1）珠光体型转变（A1～550℃），也称高温转变
共析钢过冷奥氏体在A1～550℃范围内等温转变，由于在该范围内转变温度比较高，奥氏体能全部分解，最后得到铁素体和滲碳体所组成的机械混合物。在此温度范围内，由于过冷度不同，铁素体和滲碳体的片层间距也不相同。转变温度越低，过冷度越大，片层间距越小，其强度和硬度就越高，塑性、韧性也有所改善。根据片层间距的大小，将珠光体型转变产物通常又分为珠光体、索氏体和托氏体三种（见下表）。
（2）贝氏体转变（550℃～MS），也称中温转变
共析钢过冷奥氏体在550℃～MS范围内（即从C曲线“鼻尖”处到MS线）等温转变成贝氏体，用符号“B”表示。由于在该范围内转变温度比较低，过冷度比较大，因而形成过饱和碳的铁素体与碳化物组成的两相机械混合物，即贝氏体。根据等温转变温度和产物的组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体和下贝氏体两种，分别用“B上”和“B下”表示。上贝氏体的等温转变温度为550℃～350℃，其组织呈羽毛状，强度、塑性、韧性较差，基本无实用价值。下贝氏体的等温转变温度为350℃～MS，其组织呈黑色针片状，具有较高的硬度、强度和耐磨性，同时塑性、韧性也良好，生产上常采用等温淬火获得高韧性的下贝氏体组织。贝氏体转变产物的组织、性能见下表。
（3）亚共析钢和过共析钢的等温转变
因亚共析钢和过共析钢的碳含量低于或高于共析成分，故亚共析钢等温转变曲线，多一条先共析铁素体析出线；过共析钢等温转变曲线，多一条二次渗碳体析出线。所以亚共析钢在珠光体型转变区等温时，先析出铁素体然后发生珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织；过共析钢先析出渗碳体，然后发生珠光体转变，得到滲碳体和珠光体组织。
3、过冷奥氏体的连续冷却转变
由于连续冷却转变曲线的测定较困难，且与C曲线相近似，故一般用C曲线来近似地分析同一种钢的过冷奥氏体连续冷却转变过程，见右图。
1）等温转变曲线在连续冷却转变中的应用
冷却速度V1（10℃/min）：冷却速度极缓慢，相当于炉冷（退火），与C曲线相交于700～670℃，估计转变产物为珠光体组织，硬度为170～220HBS。
冷却速度V2（10℃/s）：冷却速度稍大于冷却速度v1，相当于空冷（正火），与C曲线相交于650～600℃，估计转变产物为索氏体组织，硬度为25～35HRC。
冷却速度V3（150℃/s）：冷却速度较快，相当于油冷（油淬），只与C曲线转变开始线相交于550℃左右处，不与转变终了线相交，随后又与MS线相交，估计转变产物为托氏体和马氏体的混合组织，硬度为45～55HRC。
冷却速度V4（600℃/s）：冷却速度很快，相当于水冷（淬火），不与C曲线相交，只与MS相交并继续冷却，估计转变产物为马氏体和少量残余奥氏体组织，硬度为55～65HRC。
冷却速度Vk：与冷却曲线相切，称临界冷却速度，是获得全部马氏体转变的最小冷却速度。
2）马氏体转变（MS～Mf）
冷却速度大于Vk时，奥氏体会很快冷却到MS温度以下，在MS至Mf之间发生马氏体转变。由于转变温度低，碳均不能扩散，只能依靠铁原子作短距离移动来完成γ-Fe向α-Fe的晶格改组，原来固溶在奥氏体的碳仍全部保留在α-Fe晶格，从而形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用“M”表示。
马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型（见下图）。
当奥氏体中碳含量WC＜0.2％时，马氏体的形态为板条状，故板条状马氏体又称为低碳马氏体，有较好的强韧性；当WC＞1.0%时，马氏体的形态为片状，故片状马氏体又称为高碳马氏体，其性能硬而脆；
当WC介于二者之间时，形成片状和板条状马氏体的混合组织。马氏体的强度、硬度随碳含量增加而增大，当碳含量超过0.6％，强度和硬度增加不明显（见右图），这主要是由于奥氏体中碳含量增加，导致淬火后的残余奥氏体增多的缘故。
马氏体转变是在MS～Mf温度范围内连续冷却时进行的，并且马氏体的数量随转变温度的下降而不断增多，如果冷却停止，则转变也停止。此外，马氏体转变不能进行到底，即使过冷到Mf以下温度，仍有一定量的残余奥氏体存在。奥氏体的碳含量越高，钢淬火后残余奥氏体的量就越多。由于残余奥氏体的存在，会降低淬火钢的硬度和耐磨性，并且在工件长期使用过程中残余奥氏体会逐步转变为马氏体，使工件变形而引起尺寸的不稳定。所以，对高精度的工件淬火后要进行冷处理，即把淬火后的工件继续冷却到室温以下－80～－50℃，以尽可能减少残余奥氏体的含量。
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