9Ni鋼在第一步淬火過后，組織為典型的板條馬氏體結構。圖為9Ni鋼中的原奧氏體晶粒內的板條馬氏體結構。第二步是兩相區淬火過程，這個過程中的組織演變較為復雜，也是整個熱處理的關鍵環節，無論是等溫時間還是等溫溫度都對最后的性能產生重要影響。在第一步淬火得到的板條馬氏體組織的前提下，當溫度升至（α+γ）兩相區時，部分的馬氏體回逆轉變為奧氏體，這部分奧氏體以兩種方式形核：一種是在原奧氏體晶界上析出，為不規則塊狀；一種是在馬氏體板條間析出，和馬氏體呈現k-s關系，為薄片狀。

 在隨后淬至室溫的時候，這部分逆轉變過來的奧氏體會大部分重新轉變成馬氏體，稱這部分馬氏體為新馬氏體，等溫過程中沒有轉變的馬氏體變成回火馬氏體，然后殘留一部分奧氏體。

 在等溫的過程中，馬氏體中的合金元素（碳、錳、鎳）向奧氏體中聚集，而奧氏體的穩定性和其中的合金元素含量有直接關系，含量越高，奧氏體的Ms點溫度越低，最后冷卻到室溫時保留的越多。預測Ms點和合金元素含量的關系式為：Ms=539-423C-30.4Mn-7.5Si+30Al。當等溫溫度太低的時候，逆轉變的奧氏體含量太少不足以起到作用，但是此時奧氏體中含有大量的合金元素，比較穩定；如果溫度太高，大部分逆轉變為奧氏體，使得其中的合金元素含量太低，使得奧氏體穩定性不高，所以存在一個最佳的兩相區等溫溫度。

 最后一步回火過程中，合金元素可以進一步向奧氏體中擴散，回火馬氏體基體雜質含量降低，低溫性能提升。最佳的回火溫度在540℃～580℃之間，在600℃以上奧氏體變得不穩定，在520℃以下位錯密度高，使得拉伸和屈服強度都下降。