淬火碳鋼回火時(shí)，隨著回火溫度的升高和回火時(shí)間的延長(zhǎng)，相應(yīng)地要發(fā)生如下幾種轉(zhuǎn)變。

(1)馬氏體中碳的偏聚  

在80℃以下很低的溫度回火時(shí)，鐵原子和合金元素難以進(jìn)行擴(kuò)散遷移，碳原子也只能作短距離的遷移。板條馬氏體內(nèi)存在大量的位錯(cuò)，碳原子傾向于偏聚在位錯(cuò)線附近的間隙位置，降低馬氏體的彈性畸變能。片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，除少量碳原子向位錯(cuò)線偏聚外，大量碳原子將向垂直于馬氏體c軸的(100)面富集，形成小片富碳區(qū)。碳原子的偏聚現(xiàn)象不能用金相方法直接觀察到，但可用電阻法或內(nèi)耗法間接證實(shí)，因?yàn)樘荚隈R氏體一定晶面上富集造成晶格明顯畸變時(shí)，將使電阻率升高。

(2)馬氏體分解 

 當(dāng)回火溫度超過(guò)80℃時(shí)，馬氏體開始發(fā)生分解，碳化物從過(guò)飽和的α固溶體中析出。馬氏體分解持續(xù)到350℃以上，在高合金鋼中甚至可持續(xù)到600℃?；鼗饻囟葘?duì)馬氏體分解起決定作用。馬氏體的含碳量隨回火溫度的升高不斷降低，高碳鋼的馬氏體含碳量降低較快?；鼗饡r(shí)間對(duì)馬氏體中含碳量的影響較小。當(dāng)回火溫度高于150℃后，在一定溫度下，隨回火時(shí)間的延長(zhǎng)，在開始1～2h內(nèi)，過(guò)飽和碳從馬氏體中析出很快，然后逐漸減慢，隨后再延長(zhǎng)時(shí)間，馬氏體中的含碳量變化不大。因此鋼的回火保溫時(shí)間常在2h左右?；鼗饻囟仍礁?，回火初期碳含量下降越多，最終馬氏體碳含量越低。

高碳鋼在350℃以下回火時(shí)，馬氏體分解后形成的低碳α相和彌散ε碳化物組成的雙相組織稱為回火馬氏體。這種組織較淬火馬氏體容易腐蝕，故在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀組織?；鼗瘃R氏體中α相碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wc=0. 2%~0.3%，ε碳化物具有密排六方晶格。

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc<0. 2%的板條馬氏體在淬火冷卻時(shí)已發(fā)生自回火，析出碳化物，在100~200℃之間回火時(shí)，絕大部分碳原子都偏聚到位錯(cuò)線附近，沒(méi)有ε-碳化物析出。

(3)殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變 

 鋼淬火后總是或多或少地存在一些殘留奧氏體。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc>0.5%的碳素鋼或低合金鋼淬火后，有數(shù)量可觀的殘留奧氏體。高碳鋼淬火后于250~300℃之間回火時(shí)，將發(fā)生殘留奧氏體分解。淬火高碳鋼在200~ 300℃回火時(shí)，殘留奧氏體分解為α相和ε-FexC組成的機(jī)械混合物，也稱為回火馬氏體或下貝氏體。

(4)碳化物的轉(zhuǎn)變  

馬氏體分解及殘留奧氏體轉(zhuǎn)變形成的ε-碳化物是亞穩(wěn)定的過(guò)渡相。當(dāng)回火溫度升高至250~400℃時(shí)，ε-碳化物則向更穩(wěn)定的碳化物轉(zhuǎn)變。碳素鋼中比ε-碳化物穩(wěn)定的碳化物有兩種：一種是Χ-碳化物，化學(xué)式是Fe3C2，具有單斜晶格；另一種是更穩(wěn)定的θ-碳化物，即為滲碳體(Fe3C)。碳化物的轉(zhuǎn)變主要取決于回火溫度，也與回火時(shí)間有關(guān)。隨著回火時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)生碳化物轉(zhuǎn)變的溫度降低。

當(dāng)回火溫度升高到400℃以后，淬火馬氏體完全分解，但α相仍保持針狀外形，先前形成的ε-碳化物和Χ-碳化物此時(shí)已經(jīng)消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粒狀θ-碳化物，即滲碳體。這種由針狀α相和細(xì)粒狀滲碳體組成的機(jī)械混合物叫做回火托氏體。淬火高碳鋼400℃回火時(shí)得到的回火托氏體的金相顯微組織，其滲碳體顆粒已難以分辨。在電子顯微鏡下可以清楚地看出回火托氏體中α相和細(xì)粒狀滲碳體。

回火溫度高于200℃時(shí)，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc<0.2%的馬氏體將在碳原子偏聚區(qū)通過(guò)分解直接析出θ-碳化物。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc介于0.2%~0.4%的馬氏體可由ε-碳化物直接轉(zhuǎn)變?yōu)棣?碳化物，而不形成Χ-碳化物。

(5)滲碳體的聚集長(zhǎng)大和α相再結(jié)晶  

當(dāng)回火溫度升高到400℃以上時(shí)，滲碳體開始明顯地聚集長(zhǎng)大。當(dāng)回火溫度高于600℃時(shí)，細(xì)粒狀碳化物將迅速聚集并粗化。在碳化物聚集長(zhǎng)大的同時(shí)，α相的狀態(tài)也在不斷發(fā)生變化。馬氏體晶粒不呈等軸狀，而是通過(guò)切變方式形成，因此和冷塑性變形金屬相似，在回火過(guò)程中α相也會(huì)發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。淬火鋼在500~650℃得到的回復(fù)或再結(jié)晶的鐵素體和粗粒狀滲碳體的機(jī)械混合物叫做回火索氏體。在光學(xué)顯微鏡下能分辨出顆粒狀滲碳體，在電子顯微鏡下可看到滲碳體顆粒明顯粗化。