В исходном состоянии, т. е. до термической обработки, углеродистая сталь может иметь феррито-перлитную, перлитную или перлито-цементитную структуру. При нагревании до АС1, (727°С) сталь превращений не имеет, при АС1 происходит превращение перлита в аустенит.
Образование аустенита вызывается перестройкой кристаллической решетки a-железа в решетку g-железа и растворением цемента в образовавшемся аустените.
В доэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется феррит, превращение феррита в аустенит будет происходить и при дальнейшем нагреве до температуры АС3. В заэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется цементит, растворение цементита в аустените будет происходить при нагреве до температуры АСm.
Таким образом, при температурах выше АС1, и (выше GSE на диаграмме Fe—Fe3C) стали будут иметь аустенитную структуру, но образовавшийся аустенит будет неоднородным по составу, так как процесс диффузии углерода завершиться не успевает. Чтобы получить однородный аустенит, необходимо сталь нагревать на 30—50°С выше АС1, и Аст, и выдерживать ее при этой температуре некоторое время. Аустенит будет состоять из мелких зерен независимо от размеров зерен стали до термообработки. При дальнейшем нагреве мелкие зерна объединяются в более крупные, т. е. зерна аустенита растут. Однако есть стали, которые даже при значительном нагреве не дают заметного роста зерен. Поэтому в зависимости от склонности к росту зерен аустенита стали разделяют на наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые.
Для получения необходимой структуры, кроме нагрева, не меньшее значение имеет и режим охлаждения.