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工具钢在冷却时的相变要比加热相变的情况复杂得多。在加热相变时不管什么钢种，只要是发生相变的热处理工艺最终都是要实现钢的奥氏体化，即都要得到奥氏体组织。冷却时的相变则是由奥氏体转变成各种不同组织，最终得到的组织则因钢种不同、冷却介质和冷却方法的不同得到不同的组织，相变的产物有很大的差异。
图2-15 亚共析钢奥氏体分解等温转变图
工具钢从奥氏体状态冷却下来，在不同的温度区间等温时会发生不同类型的组织转变，这种相变比较复杂，图2-15比较形象地显示了亚共析钢这种组织变化，过共析钢也有类似的组织转变。图2-15中把亚共析钢的恒温组织转变由高温的奥氏体状态到马氏体转变终了温度（ Mf 点）共分成多个转变区域。
1）亚共析工具钢冷却到 Ac 3 之前（过共析钢冷却到 Ac cm 之前），始终保持奥氏体状态。
2）亚共析钢在 Ac 3 ～ Ac 1 之间会析出先共析铁素体（过共析钢冷却到 Ac cm ～ Ac 1 之间会析出先共析碳化物）但基体仍然是奥氏体状态。
3）在稍低于 Ac 1 温度等温时会形成粗大的珠光体+铁素体（此温度下过共析钢会形成珠光体+渗碳体）。
4）继续降低等温温度，会形成细的珠光体。
5）当等温温度降低到在等温转变图的鼻部时，会形成很细的珠光体。
6）在稍低于等温转变图的鼻部温度等温时会形成珠光体和贝氏体的混合物。
7）继续降低等温温度会形成单一的细贝氏体。
8）继续下降等温温度，会形成很细的贝氏体。
9）当等温温度稍低于 Ms 点时，开始形成贝氏体与马氏体的混合物。
10）等温温度继续下降时会形成单一的马氏体组织，直到马氏体转变终了点（ Mf 点），形成100%马氏体。
综上所述，工具钢冷却时进行的等温相变，在低于 Ac 1 点温度以后，伴随等温温度的降低奥氏体分别转变成珠光体、贝氏体和马氏体；并且恒温转变的温度越低，珠光体和贝氏体的组织越细。
以上的相变过程适用于所有的碳素钢，包括碳素工具钢。对于含有合金元素的合金工具钢，相变的类型与此相似，只是由于合金元素的加入，使等温转变图的鼻部右移，增加了相变的孕育期。同时， Ms 点和 Mf 点向下移，甚至使等温转变图的形状发生变化，形成双C形的等温转变图。等温转变图的形状和位置的变化，会导致相变产物的变化。
通常介绍工具钢的相变时只讲到相变的产物为止，很少详细介绍相变过程中各种相变产物的形貌。这里以成分接近工具钢的S5亚共析钢[化学成分（质量分数，%）：C0.5、Mn0.8、Si1.6、Cr0.25、Mo0.3]为例，介绍冷却时各种相变产物的形貌，可以更直观地了解工具钢冷却时相变的详细情况。
下面介绍S5钢在1650℉（899℃）奥氏体化加热以后分别在1300℉（705℃）、1200℉（649℃）、800℉（427℃）、650℉（343）、500℉（260℃）、400℉（204℃）6个温度段做不同时间的等温停留时产生的相变产物的形貌。
图2-16所示为S5钢试样奥氏体化温度1650℉（899℃）加热以后，在1300℉（705℃）停留时，不同等温停留时间的相变产物。图2-16a所示为1min等温停留后的相变产物：残留未溶的铁素体+马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬火成马氏体）。图2-16b所示为2h等温停留后的相变产物：奥氏体完全转变，相变产物是铁素体+珠光体。
图2-17所示为S5钢在1200℉（649℃）不同时间等温停留以后发生的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。图2-17a所示为S5钢短时间等温停留2min后的相变产物：少量残留的铁素体+马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬成马氏体）。图2-17b所示为在4min等温停留以后的相变产物：马氏体+残留的铁素体+细的珠光体。图2-17c所示为8min等温停留以后的相变产物：更多的珠光体+少量的马氏体。图2-17d所示为在1h等温停留以后的相变产物：奥氏体完全转变，转变产物是铁素体+细珠光体。
图2-16 S5钢1300℉（705℃）的相变，试样1650℉（899℃）奥氏体化（1000×）
a）停留1min b）停留2h
图2-17 S5钢在1200℉（649℃）的相变，试样1650℉（899℃）奥氏体化（1000×）
a）停留2min b）停留4min c）停留8min d）停留1h
图2-18所示为S5钢在800℉（427℃）等温停留时，不同停留时间的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。图2-18a所示为等温停留30s后的相变产物：马氏体（轻腐蚀的基体是奥氏体，样品淬火时被淬成马氏体）+中间产物。图2-18b所示为等温停留10min以后的产物：中间产物+少量的马氏体。图2-18c所示为等温停留2h以后的产物：中间产物+少量尚未转变的残留奥氏体（轻腐蚀的部分）。
图2-18 S5钢在800℉（427℃）的相变[试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]
a）停留30s b）停留10min c）停留2h
图2-19所示为S5钢试样650℉（343℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。45min等温停留以后，奥氏体完全转变成中间产物和贝氏体。
图2-20所示为S5钢试样500℉（260℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为1650℉（899℃）。等温停留1h以后，奥氏体完全转变成贝氏体。
图2-19 S5钢在650℉（343℃）的相变 [试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]
图2-20 S5钢在500℉（260℃）的相变 [试样1650℉（899℃）奥氏体化，1000×]
图2-21所示为S5钢试样400℉（204℃）等温停留时的相变情况，奥氏体化温度为 1650℉（899℃）。如图2-21a所示，等温停留5s以后，立即在1100℉（593℃）回火5s后的相变产物：即刻形成约30%马氏体（黑色为回火马氏体）。如图2-21b所示，等温停留5min后，立即在1100℉（593℃）回火5s后的相变产物：黑色贝氏体组织数量增加。如果在400℉（204℃）等温停留2h，奥氏体会转变成50%马氏体+50%贝氏体。继续降低等温停留温度到 Ms 点以下温度，则相变产物为纯马氏体，不再有贝氏体出现。
图2-21 S5钢在400℉（204℃）的转变（1000×）
a）冷却到400℉（204℃），停留5s后立即在1100℉（593℃）回火5s
b）冷却到400℉（204℃），停留5min后立即在1100℉（593℃）回火5s
碳素工具钢冷却时的相变与图2-15所述的情况大体相似，相变产物的形貌与S5钢冷却时相变产物的形貌大体相似。
碳素工具钢在珠光体相变区冷却时，即在等温转变图的鼻部上下的温度区等温冷却或缓慢冷却时，奥氏体转变成珠光体组织。这种相变通常发生于碳素工具钢的退火。退火时，通常多采用随炉冷却，有时也采用等温冷却的方法，使奥氏体转变为珠光体。依据冷却速度和冷却方法的不同，奥氏体可以转变成片状珠光体和球状珠光体。图2-22所示为 w （C）=0.82%的碳素工具钢奥氏体转变成不同形貌的片状珠光体和球状珠光体。
片状珠光体的片间距随着冷却速度的加快或等温温度的降低而减少，通常这种片状珠光体不是工具生产中所需要的组织，生产中需要的是球状珠光体。球状珠光体依据球化的情况，可以分成很多级别，通常球化的级别以中等为好，在工具钢的标准中对工具钢的球化级别有明确规定。
根据图2-15碳素工具钢的奥氏体在等温转变图鼻部以下的贝氏体区域等温转变时会形成贝氏体组织，但是很少见到有人对碳素工具钢的贝氏体组织进行研究，也未见到碳素工具钢贝氏体处理在工具厂的热处理生产实践中应用。
碳素工具钢冷却到 Ms 点以下温度时，奥氏体快速转变成马氏体组织。为得到马氏体组织，而不产生珠光体等非马氏体组织，必须使奥氏体以足够快的冷却速度通过等温转变图的鼻部，通常要采用水冷等快速冷却方法。碳素工具钢T12A的等温转变图如图2-23所示，曲线的鼻部非常靠左，奥氏体的稳定性很差，因此要淬火成马氏体组织，必须以非常快的冷却速度通过等温转变图的鼻部，以免产生非马氏体组。
碳素工具钢冷却到低于 Ms 点温度时形成的马氏体，通常是针状马氏体，其形貌如图2-24所示，除马氏体外，组织中尚有部分冷却时尚未转变的残留奥氏体和加热时未溶入基体的残留碳化物。
图2-22 w （C）=0.82%的工具钢奥氏体转变成珠光体的形貌（1000×）
a）铁素体基体+较粗大球状碳化物 b）铁素体基体+球状碳化物+少量细长碳化物 c）铁素体基体+粗大片状碳化物+少量球状碳化物 d）铁素体基体+粗大片状碳化物
低合金工具钢包括9SiCr、CrWMn、CrMn、9Mn2V等牌号，由于合金元素的加入，使等温转变图的形状和位置发生了很大变化。如图2-25所示，国内常用牌号9SiCr钢的等温转变图与碳素工具钢的等温转变图有很大不同。等温转变图的鼻部大幅度右移，并且产生了2个鼻部。由于等温转变图鼻部的右移，大大增加了奥氏体的稳定性，所以9SiCr工具钢通常都采用冷却速度较慢的油作为冷却介质。甚至可以采用分级或等温淬火的方法进行淬火。
高铬工具钢Cr12Mo由于含质量分数为12%的铬，因此等温转变图的鼻部大幅度向右移，并形成了两个互不相连的鼻部。如图2-26所示，Cr12Mo钢等温转变图的冷却相变孕育期很长，在淬火冷却时可以采用较慢的冷却速度，因此不仅可以采用油冷淬火，甚至在某些情况下可以采用空冷淬火。同时，高铬工具钢中碳的质量分数大都在1.2%以上，钢的马氏体相变点 Ms 点和 Mf 点都大幅度降低，因此冷却相变时会产生大量残留奥氏体，所以有时要进行多次回火或进行冷处理。
图2-23 T12A工具钢的等温转变图
图2-24 w （C）=1.2%的碳素工具钢的淬火马氏体组织形貌（500×）
图2-25 9SiCr钢的等温转变图
图2-26 Cr12Mo钢的等温转变图
高速钢冷却时的组织转变与其他钢种有所不同，高速钢有2种类型的等温转变图。一种等温转变图是在加热到900℃左右冷却时的等温转变图，这主要用于高速钢退火时的组织转变，因为高速钢退火温度大致在此温度区域内。W18Cr4V高速钢900℃加热的等温转变图如图2-27所示，与碳素工具钢的等温转变图相似。可以利用此等温转变图选择W18Cr4V高速钢的退火等温温度和等温时间以及退火的冷却速度。
图2-27 W18Cr4V高速钢900℃加热的等温转变图
图2-28 W18Cr4V高速钢1300℃加 热的等温转变图
对于高速钢来说应用最多的是高温加热的等温转变图。图2-28所示为W18Cr4V高速钢1300℃加热的等温转变图。这与普通工具钢的等温转变图相比，发生了巨大变化。
高速钢加热到奥氏体化温度以后，过冷奥氏体的相变过程大体上可以分成以下几个区域。
1.临界点以上温度区域 （850～950℃）
在850～950℃进行停留时有碳化物从过冷奥氏体中析出，且停留的时间越长碳化物的析出越严重，这已被电阻率的测定所证实，并且在透射电镜高倍放大以后直接观察到这种碳化物的析出。奥氏体化温度越高，奥氏体的合金度越高，碳化物的析出倾向越大。为避免碳化物的析出，奥氏体在此区域不应该停留，而应该快速冷却通过。
2.珠光体转变区 （800～650℃）
过冷奥氏体在此区域停留时，首先从奥氏体中析出碳化物，然后在停留时间达到等温转变图的鼻部时开始珠光体相变，即过冷奥氏体开始转变成珠光体。
3.过冷奥氏体稳定区 （625～400℃）
在此区域中进行较长时间的停留也不会发生奥氏体分解，因此高速钢可以在此区域内进行短时间停留的分级淬火冷却。但是，在此区域的上部，600～625℃进行停留时仍然有碳化物从奥氏体中析出，所以通常建议分级淬火的温度不应过高。
4.奥氏体的中间转变区 （400～200℃）
奥氏体在此区域的355～200℃的温度范围内进行停留时，会形成针状的贝氏体，但是贝氏体相变不能彻底完成，最多只能形成55%～60%的贝氏体。为减少工具的淬火畸变和开裂可以在此温度区域内进行长时间的等温淬火，等温淬火的温度大约位250℃。
5.马氏体转变区 （ Ms 点与 Mf 点之间）
奥氏体冷却到 Ms 点温度时，开始转变成马氏体，当温度冷却到 Mf 点时，奥氏体转变终了。W18Cr4V高速钢在油中冷却或分级淬火时 Ms 点在160～130℃。高速钢的 Ms 点与奥氏体化温度和冷却过程中的冷却速度及停留时间有密切关系。奥氏体化温度越高，奥氏体合金度越高， Ms 点越低。在奥氏体冷却过程中，在临界点上区（1000～900℃）和珠光体区（900～700℃）进行缓慢冷却或停留一段时间，促进碳化物的析出，使奥氏体的合金度降低，因此 Ms 点升高。在奥氏体稳定性最大区域（650～400℃）进行缓慢冷却或停留一段时间对 Ms 点的位置几乎没有影响。相反，在400～200℃缓慢冷却或停留一段时间，可以使 Ms 点下降，残留奥氏体增多。在从接近 Ms 点到室温区间进行缓慢冷却或停留一段时间也可使 Ms 点下降，残留奥氏体增多，但影响的程度要小得多。
6.零度以下马氏体转变区 （0℃以下）
高速钢的马氏体转变终了点（ Mf 点）在零度以下很低的温度，所以当淬火冷却到室温时保留大量尚未转变的残留奥氏体。当冷却到零度以下温度时，这些残留奥氏体会继续转变成马氏体。为此人们设计了冷处理的方法，最初是在干冰中冷却，大约冷却到-80℃以下，后来又在液氮中冷却，大约冷却到-190℃以下，在低温下残留奥氏体继续转变成马氏体，甚至完全转变成马氏体。
由于高速钢的奥氏体稳定性非常好，有很长的孕育期，因此除采用单一的油冷淬火外，还可以在奥氏体冷却过程中采用中间停留的方法，即分级淬火或等温淬火方法进行淬火。
分级淬火淬火是先将工具淬冷至 Ms 以上的温度，通常是淬入一种盐浴中，保温足够长的时间以使温度变得均匀，随后通过 Ms 点到室温，再随后空冷却形成马氏体。分级淬火除马氏体以外不应该形成其他转变产物。
等温淬火是将奥氏体化的工具钢淬入比分级淬火冷却温度低，但比 Ms 高一点的盐浴中，并进行较长时间的等温，在此温度下奥氏体转变为贝氏体。高速钢或高铬工具钢比较适合进行等温淬火。高速钢等温淬火组织转变示意图如图2-29所示。
等温淬火形成的贝氏体的数量随着等温时间的延长而增加。W18Cr4V钢在1288℃奥氏体化，于260℃分别等温1h、4h、8h和16h，其组织中贝氏体的体积分数分别为25%、50%、55%和60%，如图2-30所示。
图2-29 高速钢等温淬火组织转变示意图
通常研究钢冷却的组织转变时都以恒温状态下的等温转变图为依据，但是在实际生产中钢的很多热处理工艺是在水、油、空气或其他气体中进行连续冷却的，恒温下的等温转变图已经不适用，为此产生了连续冷却的相变图。图2-31所示为W5Mo5Cr4V2钢的连续冷却转变图。与恒温的等温转变图相比，不仅相变曲线的形状发生了显著变化，相变点的位置也产生了很大移动。图中的多条由上向下的曲线表示由高速钢的奥氏体化温度（1190℃）冷却到室温（图中标注的是0℃）时，在不同的冷却速度下的相变情况。当某一冷却速度的曲线与曲线 C 相交时即有碳化物析出；当某一冷却速度的曲线与曲线 P 相交时
图2-30 W18Cr4V高速钢于260℃等温1h、4h、8h、16h后贝氏体的含量（2000×）
a）等温1h b）等温4h c）等温8h d）等温16h
图2-31 W5Mo5Cr4V2钢的连续冷却转变图
A—奥氏体 曲线 B —贝氏体线 曲线 C —碳化物线 曲线 M —马氏体线 曲线 P —珠光体线
即产生珠光体相变；当某一冷却速度的曲线与曲线 B 相交时，即产生贝氏体转变；当某一冷却速度的曲线与曲线 M 相交时即产生马氏体相变，从图中可以确定产生各个相变所需的时间。
为使用方便，人们提供了连续冷却转变与棒的直径（而不是时间）关系图集。这种图集对热处理工作者非常有用，用它可以估计许多工程用钢在空冷、油冷及水冷条件下一定尺寸直径钢棒的中心将形成的显微组织。
图2-32横坐标标出空冷、油淬、和水淬时的棒直径。对应于一定直径所做的垂直线给出在该直径中心处预期的显微组织。例如，标有“空冷”的垂直线表明，一个直径10mm棒在空气中冷却后，其显微组织应为铁素体、珠光体和少量贝氏体。同样，标有“水淬”和“油淬”的垂直线表明，一个直径为10mm的棒，在这两种不同冷却介质中淬火后，其显微组织分别为马氏体和马氏体加贝氏体。
图2-32 w （C）=0.38%、 w （Mn）=0.70%钢的连续冷却转变图
把显微组织与棒直径相联系的连续冷却的转变图不仅可以直接估计一定直接棒所能达到的最高硬度，而且可以用来估计这种钢获得空冷或正火组织的能力，这里所指的组织是棒中心的显微组织。由于棒中心到表面，不同位置冷却速度不同，因此存在显微组织和硬度梯度
这种连续冷却与棒直径关系图对高速钢的真空热处理十分有用。现在高速钢的真空热处理经常采用真空高压气淬，通过绘制不同压力下冷却速度与棒直径的关系图就可以直接断定在某一压力下可以淬硬的最大高速钢棒的直径，这对热处理工作者是十分有用的，也非常方便。