渗碳齿轮钢、轴承钢心部组织的晶粒度与韧性密切相关,而该晶粒度的调控涉及来料初始组织状态、渗碳前的预处理工艺与渗碳工艺过程。本文以20CrMnTi钢为研究对象,开展了球化预处理工艺中的微观组织演变规律、不同渗前组织条件下的奥氏体化相变行为与等温渗碳过程中的奥氏体晶粒异常长大行为3个方面的基础研究,旨在为渗碳热处理工艺的设计与优化提供基础理论与技术指导,主要研究工作如下:（1）开展了等温球化、亚温球化和以马氏体为基体球化过程中的微观组织尤其是渗碳体形貌的演变规律研究。结果表明,由于等温球化过程中两相区等温时奥氏体中数量不足的未溶渗碳体,奥氏体后续分解仍得到片层珠光体,球化难度大;亚温球化工艺可快速实现渗碳体球化,并伴随合金元素Cr、Mn由铁素体向渗碳体的配分,但与等温球化类似,由于多边形铁素体的存在导致渗碳体分布不均匀;以马氏体为初始态的球化工艺获得了高密度、均匀分布的弥散渗碳体,但基体组织的回复与再结晶存在不均匀现象。（2）针对热轧态、淬火态和球化态试样进行伪渗碳处理,研究不同初始组织条件下的奥氏体化相变行为差异,着重分析了其与奥氏体晶粒尺寸不均匀性因子的相关性。结果表明,球化态试样中奥氏体可在大尺寸碳化物上大量形核,因而在伪渗碳过程中奥氏体晶粒尺寸一直保持最小,但碳化物尺寸与分布的非均匀性导致奥氏体晶粒尺寸的不均匀性因子始终最高;淬火态与热轧态试样的奥氏体晶粒尺寸相近,但热轧态中均匀的“铁素体+珠光体”组织使其伪渗碳时也获得了均匀的奥氏体晶粒尺寸,即不均匀性因子最小。（3）基于Humphreys理论模型,研究了不同预处理工艺下第二相析出对伪渗碳过程中奥氏体晶粒长大行为的影响规律。结果表明,在细小、均匀分布的TiC作用下获得了奥氏体正常长大晶粒形貌,奥氏体晶粒细化、不均匀性因子小;当TiC发生粗化后,由于局部区域的钉扎力不足导致奥氏体晶粒异常长大,不均匀性因子显著增加;在应用第二相粒子长大与粗化模型时,需注意平均粒子尺寸与最大粒子尺寸的差异,以确保整个区域内的有效钉扎。