将奥氏体迅速冷却到临界点以下某一温度等温，并保持一段时间，在等温过程中发生的相变称为过冷奥氏体的等温转变。过冷奥氏体等温转变图——TTT曲线（time-temperature-transformation）可以综合反映过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程：转变开始和终了时间、转变产物的类型及转变量与温度和时间的关系等。
1）TTT曲线的建立
相变过程包括3个方面：晶体结构、化学成分和某种物理性质的跃变。只要发生一种变化，就可以认为发生了相变。通过各种现代分析测试手段，很容易确定上述变化是什么时候开始，进行到什么程度，以及什么时候结束，从而获得在某一外界条件下，新相转变量与转变时间之间的关系。
（1）金相硬度法。通过观察金相组织并测定硬度，确定过冷奥氏体在不同等温温度下，各转变阶段的转变产物及体积分数，根据转变产物体积分数的变化来确定过冷奥氏体等温转变的起止时间，从而绘制出等温转变图。如果利用电子显微镜和定量金相显微等先进测试手段，可以获得更为精确而可靠的结果。
（2）膨胀法。利用膨胀仪，测定钢在相变时发生的比体积变化来确定过冷奥氏体在等温转变过程中的起止时间。通常使用直径3～5mm，长10～50mm的圆形小试样，奥氏体化后，分别在不同温度下等温停留，此时膨胀仪将自动记录等温转变时引起的膨胀效应与时间的关系曲线。如图12-18示，其中bc段是过冷奥氏体的纯冷却收缩，cd是等温转变前的孕育期，从d开始发生相变，至e点相变结束。将所得到的一系列膨胀量—时间曲线加以整理便可绘制出TTT曲线。
图12-18 等温转变时膨胀量与时间的关系
膨胀法的优点是测定时间段所需试样小，还能测出先共析渗碳体的析出线。但当膨胀曲线变化比较平缓时，转折点不易准确测出。
（3）磁性法。磁性法的基本原理是基于奥氏体的顺磁性，又根据奥氏体的分解产物铁素体或珠光体、贝氏体及马氏体等均具有铁磁性的特点，通过相变引起的顺磁性到铁磁性的变化来确定转变的起止时间及转变量与时间的关系。
将被测试样（Φ3mm×330mm）放在磁场里，当试样呈非铁磁性的奥氏体状态时，不受磁场力的影响。如果在试样中出现铁磁性相，则试样受磁力作用而发生偏转，偏转角度大小与铁磁相数量成正比。磁性法的优点是测量时间短、所需试样少。但不能测定出先共析渗碳体的析出线和亚共析钢珠光体转变的开始线，因为渗碳体的居里点约为200℃，而珠光体和铁素体都是铁磁相，因而无法区别。
2）TTT曲线的基本类型
钢的成分和奥氏体化条件的不同，TTT曲线的形状和位置发生变化，变化规律遵循“两个凡是”：凡是增加过冷奥氏体稳定性的因素均使TTT曲线右移；凡是扩大奥氏体相区的因素均使TTT曲线下移，反之亦然。
第一种，具有单一的“C”形曲线。碳钢以及含有Si、Ni、Cu、Co等合金元素的钢均属于此种钢（图12-19），其鼻尖温度为500～600℃。实际上是由两个邻近的C曲线合并而成的（如图中虚线所示），在鼻尖以上等温时，形成珠光体，在鼻尖以下等温时，形成贝氏体。
图12-19 两个C曲线合并成一个C曲线
第二种和第三种，曲线呈双“C”形。若钢中加入能使贝氏体转变温度范围下降，或使珠光体转变温度范围上升的合金元素（如Cr、Mo、W，V等）时，则随合金元素含量增加，珠光体转变曲线与贝氏体转变曲线逐渐分离。当合金元素含量足够高时，两曲线将完全分开，在珠光体转变和贝氏体转变之间出现一个过冷奥氏体稳定区。
若加入的合金元素不仅能使珠光体转变与贝氏体转变分离，而且能使珠光体转变速度显著减慢，但对贝氏体转变速度影响较小时，则得到如图12-20所示的等温转变图（第二种）；反之，若加入的合金元素能使贝氏体转变速度显著减慢，而对珠光体转变速度影响不大时，则得到如图12-21所示的等温转变图（第三种）。第四种，只有贝氏体转变的C曲线。在含Mn、Cr、Ni、W、Mo量高的低碳钢中，扩散型的珠光体转变受到极大阻碍，因而只出现贝氏体转变的C曲线（见图12-22）。
图12-20 第二种类型的C曲线
图12-21 第三种类型的C曲线
第五种，只有珠光体转变的C曲线（见图12-23）。常出现于中碳高铬钢中。
第六种，在MS点以上整个温度区间内不出现C曲线。这类钢通常为奥氏体钢，高温下稳定的奥氏体组织能全部过冷至室温。
图12-22 第四种类型的C曲线
3）TTT曲线的影响因素
（1）合金元素的影响。如上所述，合金元素对TTT曲线的影响最大。一般来说，除Co和Al以外的合金元素使TTT曲线右移，即增加过冷奥氏体的稳定性。各种合金元素对TTT曲线的影响示于图12-24中。但是，合金元素的作用大小还与其在奥氏体中的溶解状态、形成的碳化物状态、奥氏体化温度、合金元素含量及多种合金元素的相互作用等因素有关。
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图12-23 第五种类型的C曲线
图12-24 合金元素对过冷奥氏体等温转变图的影响
（2）奥氏体晶粒尺寸的影响。由于珠光体转变的形核位置主要是奥氏体晶界，奥氏体晶粒细小时，其晶界总面积增大，有利于形核，从而促进转变，使珠光体转变曲线左移。而贝氏体转变中α相的形核位置可以是晶界，也可以在晶内，所以奥氏体晶粒尺寸对贝氏体转变的影响较小。
（3）原始组织、加热温度和保温时间的影响。工业用钢在相同加热条件下，原始组织越细小，所得到的奥氏体成分越均匀，冷却时新相形核及长大过程中所需的扩散时间就越长，TTT曲线因此右移，并且Ms点下降。当原始组织相同时，提高奥氏体化温度或延长奥氏体化时间，将能促使碳化物溶解、奥氏体成分均匀化和奥氏体晶粒长大，导致TTT曲线右移。
（4）奥氏体塑性变形的影响。奥氏体的塑性变形会显著影响珠光体转变动力学。一般来说，形变量越大，珠光体转变孕育期就越短，即加速珠光体转变。形变加速珠光体转变的原因可分为3种情况：①相变前形变奥氏体处于完全再结晶状态时，其原因是再结晶细化了奥氏体晶粒；②相变前形变奥氏体处于加工硬化状态时，其原因是形变促进了晶界与晶内（如滑移带、孪晶）形核；③相变前形变奥氏体中析出大量细小的形变诱发碳化物时，其原因是形变诱发碳化物促进了珠光体的晶内形核。
2.过冷奥氏体连续冷却转变动力学
TTT曲线可以直接用来指导等温热处理工艺的制订。但是实际热处理常常是在连续冷却条件下进行的，此时过冷奥氏体的转变规律与TTT曲线差别很大。连续冷却时，过冷奥氏体是在一个温度范围内进行转变的，几种转变往往相互重叠，得到不均匀的混合组织。过冷奥氏体的连续冷却转变图-CCT曲线（continuous-cooling-transformation）则是分析连续冷却过程中奥氏体的转变过程以及转变产物的组织和性能的重要依据。
1）CCT曲线的建立
测定CCT曲线一般较测定TTT曲线困难，其原因有：①维持恒定冷却速度十分困难，因为在任何一种均匀介质中都难以维持恒定的冷却速度，并且过冷奥氏体在转变过程中还要释放相变潜热，使冷却速度发生改变，而冷却速度的改变，曲线的形状、位置均会改变；②在连续冷却时，转变产物往往是混合的，各种组织的精确定量也比较困难；③在快速冷却时，保证测量时间、温度的精度也很困难。因此，目前仍有许多钢的CCT曲线有待进一步精确测定。
通常综合应用膨胀法、端淬法、金相硬度法、热分析法和磁性法来测定CCT曲线。端淬法是以往应用较多的方法之一，而快速膨胀仪的问世为CCT曲线的测定提供了许多方便。快速膨胀仪所用试样尺寸通常为Φ3mm×10mm的小试样。采用真空感应加热方法加热试样，以程序控制冷却速度，在800～500℃范围内平均冷却速度可从100 000℃/min变化到1℃/min。从不同冷却速度的膨胀曲线上可确定转变开始（转变量为1%）、各种中间转变量和转变终了（转变量为99%）所对应的温度和时间。将数据记录在温度—时间半对数坐标系中，连接相应的点，便得到连续冷却转变图，即CCT曲线。为了提高测量精度，常用金相硬度法或热分析法进行定点校对。
2）冷却速度对转变产物的影响
图12-25为0.46%C钢的CCT曲线，图中标注的符号意义与TTT曲线相同。自左上方至右下方的若干曲线代表不同冷速的冷却曲线。这些冷却曲线依次与铁素体、珠光体和贝氏体转变终止线相交处所标注的数字，分别代表以该速度冷却至室温后组织中铁素体、珠光体和贝氏体所占的体积百分数。冷却曲线下端的数字代表以该速度冷却所获组织的室温维氏硬度。常在图的右上角注明奥氏体化温度和时间。
现根据图12-25讨论在3种典型的冷却速度（见图12-25中的（a）、（b）及（c）冷却线）下，过冷奥氏体的转变过程和转变产物组成，并说明冷却速度对转变产物的影响。以速度（a）冷却时，直至MS点（360℃）仍无扩散型相变发生。从MS点开始马氏体转变，冷至室温后的组织为马氏体加少量残余奥氏体，硬度为HV685；以速度（b）冷却时，2s后在630℃开始析出铁素体，3s冷却至600℃铁素体转变量达5%时开始珠光体转变，6s冷却至480℃珠光体转变量达50%时进入贝氏体转变区，10s冷却至305℃贝氏体转变量为13%，随后开始马氏体转变，冷却至室温后仍有部分奥氏体残留下来。室温组织由5%铁素体、50%珠光体、13%贝氏体、30%马氏体和2%残余奥氏体所组成，硬度为HV350。以速度（c）冷却时，80s冷却至720℃时开始析出铁素体，l05s冷却至680℃形成35%铁素体并开始珠光体转变，115s冷却至655℃转变终了，获得35%铁素体和65%珠光体的混合组织，硬度为HV200。
图12-25 中碳钢（0.46%C）的过冷奥氏体连续冷却转变图
3）与TTT曲线的比较
与等温转变TTT曲线相比，过冷奥氏体的连续冷却转变CCT曲线有如下特点。
（1）连续冷却转变CCT曲线都处于同种材料的等温转变TTT曲线的右下方。这是由于连续冷却转变时转变温度较低、孕育期较长所致。
（2）从形状上看，连续冷却转变CCT曲线不论是珠光体转变区还是贝氏体转变区都只有相当于等温转变TTT曲线的上半部。
（3）碳钢连续冷却时可使中温的贝氏体转变被抑制。共析碳钢的CCT曲线表示于图12-26，图中的细线为共析碳钢的TTT曲线。由图可见，共析碳钢的CCT曲线只有高温的珠光体转变区和低温的马氏体转变区，而无中温的贝氏体转变区。这是由于贝氏体转变的孕育期较长所致。例如，以90℃/s的速度冷却时，到a点有50%奥氏体转变为珠光体，在a～b之间转变中止，从b点开始剩余奥氏体发生马氏体转变。同时还可看到，CCT曲线的Ps曲线和Pf曲线（珠光体转变开始线和终了线）均向右下方移动。
图12-26 共析碳钢的CCT图
（4）合金钢连续冷却时可以有珠光体转变而无贝氏体转变，也可以有贝氏体转变而无珠光体转变，或者两者兼而有之。具体图形由加入钢中合金元素的种类和含量而定。合金元素对连续冷却转变CCT曲线的影响规律与对等温转变TTT曲线的影响相似。
4）钢的临界冷却速度
在连续冷却中，使过冷奥氏体不析出先共析铁素体（亚共析钢）或先共析碳化物（过共析钢高于Acm点奥氏体化）以及不转变为珠光体或贝氏体的最低冷却速度分别称为抑制先共析铁素体或先共析碳化物析出及抑制珠光体或贝氏体转变的临界冷却速度。它们可以分别用与CCT曲线中先共析铁素体或先共析碳化物析出线及珠光体或贝氏体转变开始线相切的冷却曲线所对应的冷却速度来表示。
为获得完全的马氏体组织，冷却速度应大于某一临界值而使过冷奥氏体在冷却过程中不发生分解。在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分解，完全转变为马氏体（包括残余奥氏体）的最低冷却速度称为临界淬火速度。图12-26中通过A点的冷却速度（140℃/s）是不发生珠光体转变而获得完全马氏体组织的最低冷却速度，即共析碳钢的临界淬火速度。
临界淬火速度代表钢件淬火冷却形成马氏体的能力，是决定钢件淬透层深度的重要因素，也是合理选用钢材和正确制定热处理工艺的重要依据之一。临界淬火速度主要取决于钢的连续冷却转变CCT曲线的形状和位置。根据钢的成分不同，临界淬火速度可以是抑制先共析铁素体析出的临界冷却速度，也可以是抑制珠光体转变或贝氏体转变的临界冷却速度。凡是使CCT曲线右移的各种因素，都将降低临界淬火速度，提高形成马氏体的能力，容易获得完全的马氏体组织。
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