将淬火后的钢重新加热到Ac1 以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

1.回火的主要目的

（1） 消除内应力。通过回火减小或消除工件淬火时产生的内应力，防止工件的变形和开裂。

（2） 获得所需要的性能。通过回火可以提高钢的韧性，调整硬度和强度，满足工件各种用途的性能要求。

（3） 稳定组织和尺寸。钢淬火后得到的马氏体和残留奥氏体很不稳定，而在回火过程中都会向稳定的铁素体和渗碳体（碳化物） 转变，在使用过程中不会再因组织转变而发生尺寸变化，即回火使尺寸稳定。

（4） 对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火） 后采用高温回火，使钢中碳化物呈粒状存在，降低硬度，以利于切削加工，钢淬火后为防止变形和开裂要立即进行回火。

2.淬火钢回火时组织和性能的变化

钢淬火后的组织是马氏体和少量残留奥氏体，它们都是不稳定的组织，在室温下有自发向稳定组织转化的趋势，由于室温原子活动能力较差，故这种转变很慢。随着温度的升高，原子活动能力加强，组织转变加快，组织变化会引起钢的性能发生变化。根据加热温度不同，回火时组织转变经历以下四步。

1） 马氏体分解

当把淬火钢加热到100 ℃～200 ℃时，内部原子活动能力增大，马氏体的过饱和碳以碳化物（Fe2.4C） 的形式析出，使过饱和程度降低，晶格畸变程度减弱，内应力下降，所以脆性有所降低。这一阶段的组织是由饱和度降低的马氏体和碳化物组成的，称为回火马氏体。此时析出的碳化物的弥散度极高，钢在这一阶段仍保持高硬度和高耐磨性，且塑性、韧性有所提高。

2） 残留奥氏体分解

当钢加热到200 ℃～300 ℃时，马氏体继续分解的同时残留奥氏体开始转变，分解为下贝氏体，此阶段钢的组织仍为回火马氏体。虽然马氏体分解会降低钢的硬度，但由于残留奥氏体转变为较硬的下贝氏体组织，故钢的硬度并没有明显降低，同时淬火应力进一步消除，钢的塑性、韧性进一步提高。

3） 渗碳体形成

当淬火钢加热到300 ℃～400 ℃时，碳原子的扩散能力继续增大，过饱和的α-Fe 中碳原子继续析出，但仍为过饱和的α -Fe 晶格，而亚稳定的碳化物转变为稳定的渗碳体细小颗粒，弥散分布在α-Fe 中。此时的组织为尚未再结晶的铁素体加上细粒状渗碳体，均为回火托氏体，钢的硬度继续下降，内应力基本消除，塑性、韧性进一步提高，尤其是屈服强度提高得更多。

4） 渗碳体长大和铁素体再结晶

回火温度达到400 ℃以上时，渗碳体聚集长大，形成较大的粒状碳化物，当温度升到500 ℃～600 ℃时，铁素体开始再结晶，由板条状或片状铁素体形态转变为多边形。此时的组织为多边形晶粒的铁素体和粒状渗碳体的混合物，称为回火索氏体。回火索氏体具有较好的综合力学性能。

如果温度继续升至650 ℃以上，当接近Ac1 温度时，渗碳体颗粒更大，此时钢的组织为多边形晶粒的铁素体和较大颗粒的渗碳体混合物，称为回火珠光体。

3.回火的分类及应用

回火温度决定着回火后钢的组织和性能，故通常根据零件所要求的力学性能来选择不同的回火温度，一般回火可分为以下三种。

1） 低温回火（150 ℃～250 ℃）

低温回火组织为回火马氏体（图4 -21），其组织具有较高的硬度（58 ～64 HRC）、耐磨性及一定的韧性。低温回火主要用于刀具、量具、冷冲模具、滚动轴承、渗碳淬火件及高频表面淬火件等。

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图4-21　低温回火组织——回火马氏体

2） 中温回火（350 ℃～500 ℃）

中温回火组织为回火托氏体（图4 -22），这种组织具有较高的弹性极限和屈服强度，屈强比（σs/σb） 可达0.7 以上，同时具有一定的塑性、韧性和中等硬度（硬度为35 ～50 HRC），适用于弹簧和热锻模具等。

图4-22　中温回火组织——回火托氏体

3） 高温回火（500 ℃～650 ℃）

高温回火组织为回火索氏体（图4 -23），这种组织具有良好的综合力学性能，硬度可达200 ～330 HBS。生产中常把淬火及高温回火的联合工艺称为“调质”。调质处理被广泛应用于各种结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮和轴类零件。

图4-23　高温回火组织——回火索氏体

调质钢与正火钢相比强度高，塑性和韧性好。因为调质处理后钢的组织是回火索氏体，渗碳体呈粒状，而正火后的组织为索氏体，渗碳体呈薄片状，因此重要零件应选用调质处理。表4 -3 所示为45 钢经正火与调质后的力学性能比较。

表4-3　45 钢经正火与调质后的力学性能比较

从以上各温度范围可以看出，钢没有在250 ℃～350 ℃进行回火，因为在该温度范围内钢容易发生低温回火。

任务回顾

分析用不同淬透性材料制成的零件在进行相同热处理后其性能上有何差异。

任务实施

图4 -24 所示为用渗透性不同的钢制成直径相同的轴经调质后机械性能的对比。图4 -24 （a） 所示为全部淬透，整个截面为回火索氏体组织，机械性能沿截面是均匀分布的。图4 -24 （b） 表示仅表面淬透，由于中心为层片状组织（索氏体），因此冲击韧性较低。由此可见，渗透性低的钢材机械性能较差。因此，机械制造中截面较大或形状较复杂的重要零件，以及应力状态较复杂的螺栓、连杆等零件，在要求截面机械性能均匀时应选用淬透性较好的钢材。

图4-24　淬透性对调质后钢力学性能的影响

（a） 全部淬透； （b） 仅表面淬透

淬透性是机械零件设计时选择材料和制定热处理工艺的重要依据。受弯曲和扭转力的轴类零件，应力在截面上的分布是不均匀的，其外层受力较大、中心受力较小，可考虑选用淬透性较低、淬硬层较浅（如为直径的1/3 ～1/2） 的钢材。有些工件（如焊接件） 不能选用淬透性高的钢件，否则容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊缝变形和开裂。