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球化退火之所以能使組織發生球化是因為共析鋼或過共析鋼加熱到稍高于Ac1時，組織為部分為溶解碳化物和成份不均勻的奧氏體。這些未溶解的碳化物在保溫過程中有自發縮小表面積的傾向，以降低表面能量，因此發生團聚，形成點狀。再經緩冷（在Ar1某一溫度下等溫）時，從奧氏體中新析出的碳化物就以已經球化的滲碳體為核心不斷長大形成球狀。球化退火的溫度的選擇應根據材料的種類不同而略有不同，如果選擇溫度過高，未溶解的碳化物的質點就會減少或完全消失，即減少了結晶的核心，冷卻時容易形成粗片狀珠光體混合在粒狀珠光體組織中，這將會提高硬度，而且對淬火帶來不利的影響。如果退火溫度過低，未能發生珠光體向奧氏體的轉變，因此退火后仍然保留原來的片狀珠光體，未能球化轉變，只是片狀珠光體的之間的距離比以前要細密。這是球化退火欠熱的象征，同樣硬度高。如果是高碳鋼退火的溫度過高或保溫時間過長又會使鋼中的碳析出游離的石墨而造成廢品。