Подавляющее большинство технологических процессов горячей механической, термической и химико-термической обработок (гомогенизация, нормализация, цементация, закалка) сопровождается изменением величины зерна аустенита. Рост зерен аустенита при нагревании стали выше верхней критической точки является естественным и самопроизвольным процессом, в основе которого заложено стремление всякой системы к уменьшению свободной энергии, в данном случае — поверхностной. Скорость последующего охлаждения не изменяет достигнутого при нагреве размера аустенитного зерна, оказывающего в дальнейшем важное влияние на физико-механические и технологические свойства стали. Наилучшие свойства у конструкционных сталей достигаются чаще всего при малых размерах вторичного зерна аустенита. Это не относится к трансформаторной и динамной стали. Чем меньше вырастет в процессе термической обработки зерно аустенита, тем ниже при прочих равных условиях, будет находиться порог хладноломкости стали, тем меньше она будет проявлять свою склонность к отпускной хрупкости, тем выше будет ее сопротивление отрыву, тем более надежно будут противостоять детали хрупким разрешениям.
Металлурги и металловеды разработали специальные приемы выплавки и раскисления железа и стали, обеспечивающие получение при строго стандартных условиях термической обработки определенной величины зерна аустенита. Регулирование величины зерна аустенита, достигаемое путем раскисления стали добавками алюминия, получило отражение в действующих ГОСТ на поставку проката различных марок стали с определенной величиной зерна в пределах 8-балльной шкалы. Это не исключает; однако, необходимости более широкого изучения влияния всей гаммы легирующих элементов на склонность стали к росту зерна аустенита. Это важно хотя бы потому, что условия термической обработки весьма разнообразны и сталь природномелкозернистая может превратиться и в крупнозернистую или остаться мелкозернистой в зависимости от своего исходного состава, характера ее легированности.
Кроме того, величина зерна аустенита и склонность ее к росту при нагревании в природномелкозернистой стали является характеристикой нестабильной, во многом зависящей от условий предшествовавших горячей пластической и термической обработок. Так, например, усиление степени обжатия, высокая температура конца ковки, как и предварительный перегрев . или многократные повторные нагревы, часто при последующих нагревах приводят к укрупнению зерен аустенита мелкозернистой стали. Как правило, чем чище железо, чем меньше в нем содержание углерода и различных включений (продуктов раскисления, карбидов, нитридов), тем более оно склонно к росту зерна при нагревании.
Принципиально иная картина наблюдается в конструкционных сталях, где повышение содержания углерода вплоть до значений, отвечающих появлению в структуре избыточного заэвтектоидного цементита, благоприятствует росту зерна аустенита. В то же время в инструментальных заэвтектоидных сталях выделения избыточного цементита сами осуществляют барьерную функцию, тормозя рост зерна аустенита вплоть до температуры нагрева, при котором завершается переход карбидов в твердый раствор.
Легирующие элементы могут как повышать, так и понижать склонность стали к росту зерна аустенита в зависимости от природы самого элемента, его количества и характера распределения в стали. Недооценка этих факторов является причиной того разнобоя, который существует до сих пор в этом вопросе в литературе. Нередко встречающиеся в литературе попытки разделить все легирующие элементы по их влиянию на величину зерна аустенита (без ограничения к тому же максимальной температуры нагрева) на два класса: замедляющие рост и ускоряющие рост зерна, должны решительно отбрасываться как механистические.
Наиболее эффективными замедлителями роста величины зерна являются элементы, образующие с углеродом стойкий, труднорастворимые при нагреве карбиды или нитриды. К таким элементам относятся: алюминий, цирконий, титан, ванадий, ниобий, тантал, вольфрам, хром и др. Из числа этих элементов только алюминий тормозит рост зерна благодаря образованию высокодисперсных нитридов с гранецентрированной кубической решеткой, а остальные элементы тормозят рост зерна благодаря образованию собственных карбидов (TiC, VC, NbC и т. д.). Влияние каждого из этих элементов ограничивается определенным температурным порогом, наиболее низким для алюминия. Уровень, точнее температурный интервал этого порога, для каждого элемента определяется условиями диссоциации и растворимости его соединений (карбидов, нитридов) в аустените. Один и тот же элемент (W, Сr), образуя при разном своем содержании в стали карбиды различного типа и свойств, может создавать в ней не один, а два и даже три температурных порога.
Превышение при термической обработке стали свойственного ей порога будет приводить к все возрастающему с температурой росту величины зерен, причем теперь темп этого роста может даже опережать темп, свойственный такой же стали, но не имевшей в своем составе сдерживающей (модифицирующей примеси). На фиг. 16 приводятся кривые, иллюстрирующие относительную эффективность влияния алюминия, титана, ванадия и бора на температуру начала интенсивного роста зерна аустенита углеродистой стали. Как видно из графика, наиболее эффективно тормозят рост зерна добавки ванадия и титана и наоборот — благоприятствует росту зерна микролегирование стали бором (при отсутствии титана).