淬火碳鋼回火時，隨著回火溫度的升高和回火時間的延長，相應地要發生如下幾種轉變。

(1)馬氏體中碳的偏聚  

在80℃以下很低的溫度回火時，鐵原子和合金元素難以進行擴散遷移，碳原子也只能作短距離的遷移。板條馬氏體內存在大量的位錯，碳原子傾向于偏聚在位錯線附近的間隙位置，降低馬氏體的彈性畸變能。片狀馬氏體的亞結構主要是孿晶，除少量碳原子向位錯線偏聚外，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。碳原子的偏聚現象不能用金相方法直接觀察到，但可用電阻法或內耗法間接證實，因為碳在馬氏體一定晶面上富集造成晶格明顯畸變時，將使電阻率升高。

(2)馬氏體分解 

 當回火溫度超過80℃時，馬氏體開始發生分解，碳化物從過飽和的α固溶體中析出。馬氏體分解持續到350℃以上，在高合金鋼中甚至可持續到600℃。回火溫度對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。回火時間對馬氏體中含碳量的影響較小。當回火溫度高于150℃后，在一定溫度下，隨回火時間的延長，在開始1～2h內，過飽和碳從馬氏體中析出很快，然后逐漸減慢，隨后再延長時間，馬氏體中的含碳量變化不大。因此鋼的回火保溫時間常在2h左右。回火溫度越高，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，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，故在光學顯微鏡下呈黑色針狀組織。回火馬氏體中α相碳的質量分數為wc=0. 2%~0.3%，ε碳化物具有密排六方晶格。

碳的質量分數wc<0. 2%的板條馬氏體在淬火冷卻時已發生自回火，析出碳化物，在100~200℃之間回火時，絕大部分碳原子都偏聚到位錯線附近，沒有ε-碳化物析出。

(3)殘留奧氏體的轉變 

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

(4)碳化物的轉變  

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

當回火溫度升高到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-碳化物此時已經消失，全部轉變為細粒狀θ-碳化物，即滲碳體。這種由針狀α相和細粒狀滲碳體組成的機械混合物叫做回火托氏體。淬火高碳鋼400℃回火時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相和細粒狀滲碳體。

回火溫度高于200℃時，碳的質量分數wc<0.2%的馬氏體將在碳原子偏聚區通過分解直接析出θ-碳化物。碳的質量分數wc介于0.2%~0.4%的馬氏體可由ε-碳化物直接轉變為θ-碳化物，而不形成Χ-碳化物。

(5)滲碳體的聚集長大和α相再結晶  

當回火溫度升高到400℃以上時，滲碳體開始明顯地聚集長大。當回火溫度高于600℃時，細粒狀碳化物將迅速聚集并粗化。在碳化物聚集長大的同時，α相的狀態也在不斷發生變化。馬氏體晶粒不呈等軸狀，而是通過切變方式形成，因此和冷塑性變形金屬相似，在回火過程中α相也會發生回復和再結晶。淬火鋼在500~650℃得到的回復或再結晶的鐵素體和粗粒狀滲碳體的機械混合物叫做回火索氏體。在光學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。