淬火碳钢回火时，随着回火温度的升高和回火时间的延长，相应地要发生如下几种转变。

(1)马氏体中碳的偏聚  

在80℃以下很低的温度回火时，铁原子和合金元素难以进行扩散迁移，碳原子也只能作短距离的迁移。板条马氏体内存在大量的位错，碳原子倾向于偏聚在位错线附近的间隙位置，降低马氏体的弹性畸变能。片状马氏体的亚结构主要是孪晶，除少量碳原子向位错线偏聚外，大量碳原子将向垂直于马氏体c轴的(100)面富集，形成小片富碳区。碳原子的偏聚现象不能用金相方法直接观察到，但可用电阻法或内耗法间接证实，因为碳在马氏体一定晶面上富集造成晶格明显畸变时，将使电阻率升高。

(2)马氏体分解 

 当回火温度超过80℃时，马氏体开始发生分解，碳化物从过饱和的α固溶体中析出。马氏体分解持续到350℃以上，在高合金钢中甚至可持续到600℃。回火温度对马氏体分解起决定作用。马氏体的含碳量随回火温度的升高不断降低，高碳钢的马氏体含碳量降低较快。回火时间对马氏体中含碳量的影响较小。当回火温度高于150℃后，在一定温度下，随回火时间的延长，在开始1～2h内，过饱和碳从马氏体中析出很快，然后逐渐减慢，随后再延长时间，马氏体中的含碳量变化不大。因此钢的回火保温时间常在2h左右。回火温度越高，回火初期碳含量下降越多，最终马氏体碳含量越低。

高碳钢在350℃以下回火时，马氏体分解后形成的低碳α相和弥散ε碳化物组成的双相组织称为回火马氏体。这种组织较淬火马氏体容易腐蚀，故在光学显微镜下呈黑色针状组织。回火马氏体中α相碳的质量分数为wc=0. 2%~0.3%，ε碳化物具有密排六方晶格。

碳的质量分数wc<0. 2%的板条马氏体在淬火冷却时已发生自回火，析出碳化物，在100~200℃之间回火时，绝大部分碳原子都偏聚到位错线附近，没有ε-碳化物析出。

(3)残留奥氏体的转变 

 钢淬火后总是或多或少地存在一些残留奥氏体。碳的质量分数wc>0.5%的碳素钢或低合金钢淬火后，有数量可观的残留奥氏体。高碳钢淬火后于250~300℃之间回火时，将发生残留奥氏体分解。淬火高碳钢在200~ 300℃回火时，残留奥氏体分解为α相和ε-FexC组成的机械混合物，也称为回火马氏体或下贝氏体。

(4)碳化物的转变  

马氏体分解及残留奥氏体转变形成的ε-碳化物是亚稳定的过渡相。当回火温度升高至250~400℃时，ε-碳化物则向更稳定的碳化物转变。碳素钢中比ε-碳化物稳定的碳化物有两种：一种是Χ-碳化物，化学式是Fe3C2，具有单斜晶格；另一种是更稳定的θ-碳化物，即为渗碳体(Fe3C)。碳化物的转变主要取决于回火温度，也与回火时间有关。随着回火时间的延长，发生碳化物转变的温度降低。

当回火温度升高到400℃以后，淬火马氏体完全分解，但α相仍保持针状外形，先前形成的ε-碳化物和Χ-碳化物此时已经消失，全部转变为细粒状θ-碳化物，即渗碳体。这种由针状α相和细粒状渗碳体组成的机械混合物叫做回火托氏体。淬火高碳钢400℃回火时得到的回火托氏体的金相显微组织，其渗碳体颗粒已难以分辨。在电子显微镜下可以清楚地看出回火托氏体中α相和细粒状渗碳体。

回火温度高于200℃时，碳的质量分数wc<0.2%的马氏体将在碳原子偏聚区通过分解直接析出θ-碳化物。碳的质量分数wc介于0.2%~0.4%的马氏体可由ε-碳化物直接转变为θ-碳化物，而不形成Χ-碳化物。

(5)渗碳体的聚集长大和α相再结晶  

当回火温度升高到400℃以上时，渗碳体开始明显地聚集长大。当回火温度高于600℃时，细粒状碳化物将迅速聚集并粗化。在碳化物聚集长大的同时，α相的状态也在不断发生变化。马氏体晶粒不呈等轴状，而是通过切变方式形成，因此和冷塑性变形金属相似，在回火过程中α相也会发生回复和再结晶。淬火钢在500~650℃得到的回复或再结晶的铁素体和粗粒状渗碳体的机械混合物叫做回火索氏体。在光学显微镜下能分辨出颗粒状渗碳体，在电子显微镜下可看到渗碳体颗粒明显粗化。