回火温度高于400℃时，片状渗碳体将逐渐球化并聚集长大，铁素体基体也将发生回复和再结晶。一般将等轴铁素体加尺寸较大的粒状渗碳体的混合组织称为回火索氏体。
1.内应力消失
淬火时，由于热应力和组织应力引起塑性变形使晶内缺陷及各种内应力增加。淬火后存在于工件内部的应力按其作用范围及大小分为3类。第一类内应力：由于工件内外温度不一致和相变不同时而造成的宏观区域性的内应力；第二类内应力：由于工件中几个晶粒内的温度不一致和相变不同时而造成的微观区域性的内应力；第三类内应力：由于碳原子过饱和固溶使晶格畸变以及保持共格关系使晶格弹性畸变所引起的内应力。
回火过程中，随回火温度升高，原子活动能力增强，晶内缺陷及各种残余内应力均逐渐下降。回火温度越高，内应力下降就越快，下降程度也就越大。实验证明，对于淬火碳钢，马氏体在300℃左右分解完毕，第三类残余内应力也将随之消失；当回火温度达到500℃时，第二类残余内应力也基本消失；当回火温度高于550℃时，第一类残余内应力接近于全部消除。因为此时ε-FexC已经变为渗碳体，碳化物与α相的共格关系已被破坏，而且渗碳体颗粒也有一定程度的长大。
2.回复与再结晶
中低碳钢淬火所得到的板条马氏体中存在大量位错，密度可达（0.3～0.9）×1012cm-2，与冷变形金属相似，而且马氏体晶粒形状为非等轴状，所以在回火过程中，将发生回复与再结晶。在回复过程中，α相中的位错胞和胞内位错线将通过滑移和攀移而逐渐消失，晶体中的位错密度降低，剩余位错将重新排列成二维位错网络，形成由它们分割而成的亚晶粒。回复开始的温度尚无法确定，但回火温度高于400℃后，α相的回复已十分明显。回复后的α相形态仍呈板条状，只是板条宽度由于相邻板条合并而增加。回火温度高于600℃时，回复后的α相开始发生再结晶。一些位错密度很低的胞块将长大成等轴α相晶粒。这种位错密度很低的等轴α相新晶粒将逐步取代板条状α相晶粒。颗粒状碳化物均匀分布在等轴α相晶粒内。经过再结晶，板条特征完全消失。
高碳钢淬火所得到的片状马氏体的亚结构主要是孪晶。当回火温度高于250℃时，马氏体片中的孪晶开始消失，但沿孪晶界面所析出的碳化物仍显示出孪晶特征；当回火温度达到400℃时，孪晶全部消失，出现胞块，但片状马氏体的特征依然存在；当回火温度高于600℃时也将发生再结晶而使片状特征消失。由于碳化物能钉扎晶界，阻止再结晶的进行，故高碳马氏体α相的再结晶温度高于中低碳钢。
3.碳化物的聚集长大
淬火碳钢高温回火时，渗碳体将发生聚集长大。当回火温度高于400℃时，碳化物已经开始聚集和球化。当温度高于600℃时，细粒状碳化物将迅速聚集并粗化。碳化物的球化、长大过程，是按照小颗粒溶解、大颗粒长大的机制进行的。(www.xing528.com)
如果已经析出的碳化物粒子的大小不一，则由于其溶解度不同，将在α基体内形成浓度梯度，如图18-8所示。基体中的合金元素原子和碳原子均由小颗粒碳化物处向大颗粒碳化物处扩散，结果导致小颗粒碳化物溶解，大颗粒碳化物长大。若碳化物呈杆状或薄片状，则由于各碳化物部位的曲率半径r不同，其溶解度也不同。r较小的碳化物部位将溶解，r较大的碳化物部位将长大，这将使杆或片发生断裂，导致碳化物球化。
图18-8 碳化物粗化机理示意图
总之，淬火钢的回火转变是以上5个过程综合作用的结果，难以用明确的温度范围将它们截然分开，它们有时是相互交错，有时是同时进行。为了简明起见，将淬火组织在回火过程中的组织转变总结于表18-3中。
表18-3 铁基合金淬火后回火过程的组织转变
（续表）
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