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。(www.xing528.com)
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
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