钢加热奥氏体化后，以一定的速度冷却下来，获得期望的组织和性能，这是钢热处理的主要目的。因此，钢自高温奥氏体状态的冷却过程是钢热处理的又一个重要过程。
钢自高温奥氏体状态冷却过程中将发生奥氏体的组织转变。不同的冷却速度可以获得不同的转变产物及不同的性能。
到目前为止，一般的观点是认为钢在冷却时，依冷却速度不同，可以发生三种类型的组织转变，即珠光体型转变、贝氏体型转变和马氏体型转变。
一、珠光体型转变
具有共析成分的高温奥氏体，在A1温度以下恒温转变时，以共析转变的方式转变成珠光体。珠光体的转变也有一个形核和长大的过程。由于在高温奥氏体中，碳及合金元素成分基本上是均匀的，而共析转变成的珠光体是低碳的铁素体和高碳的渗碳体的混合物，可见在这个转变过程中，发生了碳的扩散和铁原子的点阵改组过程（由面心立方晶格的γ相改组成体心立方晶格的a相）。当然，对于亚共析钢或过共析钢，除珠光体转变外，还有先共析铁素体或先共析渗碳体的析出过程。
在马氏体不锈钢中，铬元素对奥氏体向珠光体的转变也会产生影响。这种影响主要体现在以下几个方面。
1. 如同在加热转变时一样，铬会减缓碳的扩散作用。
2. 铬的存在增加了原子间的结合力而降低了铁原子的洁动能力，使铁原子的自扩散变慢。
3. 铬是强碳化物形成元素，所以，在珠光体形成过程中，还有铬本身的扩散过程，铬本身的扩散是缓慢的。
所以，马氏体不锈钢发生珠光体转变时，由于铬的存在，使这个转变变得困难了，或者说，马氏体不锈钢高温奥氏体显得稳定了。以至于在实际热处理时，即便较慢的冷却速度冷却，也不会像碳钢那样容易发生珠光体转变。结果使奥氏体能保留到较低的温度。
铬的加入对马氏体不锈钢冷却转变的另一个影响是对奥氏体转变图形状的改变，主要体现在两个方面。一是使珠光体转变区和中温转变区（贝氏体转变区）分离；二是使转变图右移，这是奥氏体稳定的一个表现。图4-9是3Cr13钢等温转变曲线图。
当然，图4-9所示曲线图还应考虑其他一些合金元素的影响效果。
关于珠光体强度，许多研究结果表明，珠光体的强度主要决定于片间距，片间距越小强度越高。而片间距又主要取决于珠光体的转变温度，转变温度越低则片间距越小。铬元素的加入提高了共析温度，实际上增加了给定等温温度下的过冷度，即增加了相变驱动力，使片间距变小。从这一理论来说，马氏体不锈钢转变的珠光体片间距应较小，故珠光体强度会有所提高。
二、贝氏体转变（中温转变）
根据钢的热处理原理，高温奥氏体过冷到中温转变区（一般在550~200℃,依钢成分不同而异），会发生中温转变，也叫贝氏体转变。依转变温度的不同，形成的转变产物的形态也不同。在中温转变上部温度区形成的叫上贝氏体呈束条状，在下部温度区形成的叫下贝氏体呈针状。由于组织形态不同，在性能上也有差异。
对于奥氏体的中温转变，一般认为有以下特点。
1. 中温转变开始前，奥氏体中的碳和合金元素已发生了不均匀的分布，在含碳较低的具有合适合金元素浓度的区域，会形成α铁晶核，一部分还会长大。
2. γ→α的转变是按马氏体转变方式进行的，发生铁原子的点阵改组，每个铁原子只能进行较小的位移，而不能进行扩散。
3. 在y→α转变的同时，碳的活动方式是有的通过相界面自y相向α相扩散，也有的在α相内沉淀为碳化物。而合金元素本身在转变过程中没有扩散。
铬元素在贝氏体转变过程中，不会发挥像在珠光体转变中的那些作用，只能对中温转变中碳的扩散产生一定的阻碍作用，使贝氏体形成速度减缓。
合金元素对贝氏体性能的影响，概括如下：
1. 上贝氏体的强度和韧性主要决定于铁素体条片的平均宽度和碳化物的大小、分布、性质。由于上贝氏体中的铁素体固溶碳量不多，位错密度较小，因此，碳的固溶强化和位错强化作用不明显。
2. 下贝氏体的强度、韧性主要取决于碳化物的数量、分散度和位错密度，因此，下贝氏体具有较好的强度、塑韧性。虽然下贝氏体内铁素体固溶碳量有所变化，但下贝氏体的强度并不主要决定于碳的固溶强化。
因此，可认为，形成碳化物的元素铬在贝氏体中，应是通过对碳化物影响来体现对其性能的作用。
三、马氏体转变
对于马氏体不锈钢，通过淬火获得马氏体，再经过回火获得回火马氏体（低温回火）或索氏体（高温回火），并获得要求的性能。所以，马氏体不锈钢热处理的淬火，即奥氏体向马氏体的转变更具有重要意义。
如前所述，马氏体不锈钢由于铬等合金元素的作用，使奥氏体更稳定了，不易发生向珠光体和贝氏体的转变，这就为其获得马氏体组织提供了有利条件。
要得到淬火马氏体，必须以大于临界冷却速度的冷却方式冷却奥氏体，冷却到马氏体转变开始温度（Ms)以下。马氏体转变是在不断冷却过程中进行的。温度下降停止，则马氏体转变停滞、终止，并且冷却到室温以下，有的甚至冷却到马氏体转变终止温度（Mf),还会有未转变的奥氏体保持下来，这部分奥氏体被称为残留奥氏体。
1. 马氏体转变特点
奥氏体向马氏体的转变与向珠光体转变和向贝氏体转变是不同的。马氏体转变主要有以下特点。
①. 马氏体转变时，与母相奥氏体保持共格关系，在磨光的表面上有浮凸现象。
②. 马氏体和母相奥氏体间存在严格的结晶学关系，两相间存在位向关系。
③. 马氏体总是沿着母相奥氏体中一定的面形成，常称惯习面。
④. 马氏体形成之后，原奥氏体中的碳原子会自然进入马氏体的间隙位置中。
⑤. 马氏体相变获得的体心立方晶格是在切变过程中形成的，这种切变可能是滑移或孪晶，同时在马氏体内部留下晶体缺陷（亚结构）。
⑥. 奥氏体向马氏体的转变是非扩散性的，不发生元素浓度变化。
⑦. 马氏体转变只有在转变温度低于钢中新旧两相（α相和γ相）自由能相等的临界温度时，才会存在“无扩散相变驱动力”，促进马氏体形成，温度越低，这个驱动力越大，马氏体转变越容易进行。
⑧. 生成的马氏体不能越过母相奥氏体的晶界。
⑨. 合金元素对马氏体相变点有不同的影响，如铬、钼、镍等使Ms 点下降，钴、铝等使M、点上升。见图4-10。当然，也有的学者对马氏体转变有不同见解，对马氏体无扩散性转变提出质疑。
2. 马氏体形态、亚结构和强韧度
在钢的使用中，要求强韧性时，应获得的最基本、最主要的组织就是马氏体。钢的强韧性与马氏体的形态，内部显微组织及亚结构有关。
①. 马氏体的形态是指马氏体基本单元晶体的几何外形
根据研究，有的学者将马氏体形态分成五类：即板条状马氏体、针状马氏体、蝴蝶状马氏体、薄板状马氏体、e'马氏体。对于马氏体不锈钢来说，最常见的是前两类，即板条状马氏体和针状马氏体。
板条状马氏体（有的称块状马氏体）单元晶体的立体外形是长条状，利用透射电镜及电子衍射技术分析时，可见一条状马氏体单元，实际上是由许多更为细小的板条晶大致上按同一方位排列而成的。这种板条晶体在一般光学显微镜下看不出来。板条状马氏体常出现在含碳量较低的碳钢、合金钢、马氏体不锈钢中。
针状马氏体（有的称透镜状马氏体、片状马氏体）的单元晶体的立体外形是透镜状，是以单个马氏体晶体形式出现的，在显微镜下呈多向分布。在实用钢中，针状马氏体一般都很细，在光学显微镜下不具有明显的组织特征。针状马氏体多出现在碳量较高的碳钢、合金钢、马氏体不锈钢中。
②. 马氏体的亚结构实质是指马氏体内存在的晶体缺陷
在电子显微镜下观察，板条状马氏体内部存在的缺陷是以高密度的位错为主，用电镜测定位错密度为0.3x1012/c㎡~0.9x102/c㎡;晶体内大都是密度很高的位错线。所以，习惯上称板条状马氏体叫位错马氏体。
针状马氏体内部存在的缺陷以孪晶为主，在电子显微镜下显示出其亚结构为细的李晶（宽距约为5nm).所以，也有的称针状马氏体为李晶马氏体。
应该指出，马氏体的亚结构很复杂，已发现，板条状马氏体内有细的李晶存在，在针状马氏体内也有高密度的位错。
③. 马氏体的强韧性
关于马氏体的强韧性及其影响因素等问题，是许多学者关注和着力研究的课题。这是一个复杂的问题，要完整地说明其本质和区分各种因素的作用仍然是困难的，而且各学派还存在一些不同的观点。
a. 马氏体的强度
较早期的一些研究认为：碳及合金元素的固溶作用是强化马氏体的原因。特别是马氏体的硬度和强度的提高与碳含量的增加成正比。似乎说明碳的固溶强化是马氏体化的主要原因。碳作为溶质原子嵌入α-Fe晶格的八面体间謝中，使晶格产生畸变，造成强硬化效应。近期的一些研究结果表明，马氏体强度随碳含量增加而提高是因为碳提高马氏体相变时的位错密度的结果。位错密度越高，金属抵抗塑性变形的能力就越大。
马氏体的强度还与原始奥氏体的晶粒大小有关。如果原始奥氏体晶粒细小，则转变成的马氏体领域及马氏体片也细小，更多的界面阻碍了晶粒受力时滑移带的运动。还有的解释说原始奥氏体晶粒小，在马氏体相变时，会提高位错密度而使马氏体强度增加。
综上观点，可总结为：淬火马氏体的高强度是碳和合金元素固溶强化、马氏体条片周界及马氏体内位错密度的综合贡献结果。
b. 马氏体的韧性
马氏体的韧性与含碳量有关，低碳（C≤0.4%)马氏体具有较好的韧性，随着含碳量的增加，韧性显著下降。韧性与碳的关系，本质是碳对马氏体的形态和亚结构的影响结果。研究表明，马氏体的韧性与马氏体形态和亚结构有明显的关系。马氏体中的孪晶马氏体比例越大，其韧性下降也越大。
有试验证明，在相同的屈服强度下，位错型马氏体的断裂韧性比孪晶马氏体高得多。在相同的强度条件下，条状马氏体的断裂制性远远高于针状马氏体，并且，马氏体的韧性还随着板条宽度和领域大小的减小而增加。经进一步研究和分析认为，马氏体中的位错亚结构可动性较孪晶大，由于位错的运动能缓和局部地区的应力集中，延缓裂纹形核，即使存有微裂纹，也会削减裂纹尖的应力峰值。这当然对马氏体的韧性有利。还有的认为，板条状马氏体在原奥氏体晶粒内部排列成束状，说明产生马民体相变时，晶体间不发生相互撞击作用，所以不会产生显微裂纹。而孪昌马氏体形态呈片状，马氏体相变时，片与片之间的撞击作用会促进显微裂纹的产生。
在探讨马氏体强韧性问题时，应指出：马氏体的强韧性不应孤立地看做是哪一种因素作用的结果，而与合金成分、固溶强化作用、马氏体形成方式、马氏体形态及亚结构等多种因素都有密切的关联。
通过对奥氏体向马氏体转变理论及转变马氏体特性的了解，可知由于铬的存在，马氏体不锈钢在淬火时，由奥氏体向马氏体转变过程中与碳钢相比，具有一些特殊之处。
（1) 铬等合金元素的存在，使奥氏体稳定性增强，在冷却过程中不易发生珠光体转变和贝氏体转变，在较缓慢的冷却条件下，仍可发生马氏体转变。所以，马氏体不锈钢在油冷、风冷，甚至于空冷条件下，均可获得淬火马氏体组织。
（2) 合金元素使奥氏体稳定化的另一个影响是，马氏体不锈钢淬火后，会存在未进行转变的残留奥氏体。这使得马氏体不锈钢淬火后，与同等含碳量的碳钢相比，淬火硬度略有下降。
（3) 马氏体不锈钢的淬透性高于碳钢，使得较大尺寸的零件也能获得淬火马氏体组织，保证大截面零件也能得到均匀的组织和良好的性能。
（4) 马氏体不锈钢中，因含有较多的难溶合金碳化物，特别是当碳含量较高时，碳化物会保留在淬火组织中，可明显提高材料的硬度和耐磨性能。
