等温球化退火工艺是将共析钢或过共析钢加热到Ac1+(20~30℃)，保温适当时间，然后冷却到略低于Ar1,以下的温度，等温保持一定时间(使等温转变进行完毕)，然后炉冷或空冷的球化退火工艺。如果原始组织中网状碳化物较严重，则需要加热到略高于Acm的温度，使碳化物网溶人奥氏体，然后再较快地冷却到Ar1 以下温度进行等温球化退火。

在等温球化退火工艺的制定中，奥氏体化温度及等温转变温度十分重要。奥氏体化温度较高时，未溶碳化物数量较少，奥氏体晶粒较大，而且其中碳含量的分布也较均匀，因而不利于球化过程的进行。等温转变温度较低时，碳(及合金元素)在奥氏体中扩散较困难，也不利于球化过程的进行。只有当奥氏体温度较低，等温转变温度较高的处理规程下，才得到球化组织。

与一次球化退火相比，等温球化退火可获得较好的球化质量并节约工艺时间，多应用于碳钢及合金钢刀具、冷冲模具以及轴承零件的等温球化退火。