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回火一般是熱處理的后一道工序。山西鍛件回火的目的如下：
1.消除或降低淬火、正火冷卻過程中產生的內應力；
2.獲得穩定的回火組織，達到所要求的硬度等機械性能技術指標；
3.進一步去除鍛件內的氫氣或使其分布更為合理；
4.如前所述進一步完成冷卻過程中的心部組織轉變。
對于一般焊接件、鑄鐵（鋼）件、以及被校直的零件，由于焊接、鑄造及機械加工和零件矯形后，均存在著較大的內應力。為了消除這些零、部件的內應力，達到穩定形狀和幾何尺寸的目的，往往也要進行高溫同火處理。有些工廠將這類零部件的回火稱為人工時效處理，有時也稱為低溫退火。
為了滿足大鍛件不同的硬度等機械性能要求，淬火后需要選用不同的溫度回火。如要求HS90以上的髙硬冷軋工作輥，表面淬火后應進行低溫回火（130~140℃）。要求HS45~69和HS70~85的冷軋輥，水淬或油淬后，很多是進行中溫回火（300~500℃）。一般結構鋼大鍛件淬火或正火后應進行達700℃的高溫回火，以達到高的綜合機械性能。
回火時的組織轉變。低碳鋼淬火后得到的馬氏體叫板條狀馬氏體。當碳含于0.2%后,馬氏體的晶格才具有長方性。馬氏體內的位錯密度很高，其密度與嚴重冷變形后的鐵相似。由于低碳鋼的馬氏體點較高，淬火時馬氏體中碳原子在冷卻過程中富集于位錯處。高碳鋼和一些鐵基合金，其馬氏體點較低，淬火后得片狀馬氏體，它由很細的間距的雙晶所組成，馬氏體片周圍有復雜的位錯排列。
中碳鋼淬火后形成上述二種馬氏體的混合物。回火過程中隨著溫度的升高相繼產生馬氏體的分解，殘余奧氏體的轉變，α相的回復和再結晶以及碳化物的球化和長大等轉變過程。
高硬冷軋工作輥為了保證具有高的硬度，必須在低于150℃溫度下進行回火。這時馬氏體產生兩相分解，形成含碳較低的馬氏體，即回火馬氏體。這時α固溶體仍具有長方性，析出的碳化物與母相（α固溶體）共格,從而產生較大的彈性晶格扭曲。當碳鋼在150~300℃下回火時，產生馬氏體分解的第二階段，碳從固溶體中逐漸析出，使固溶體中的碳免繼續下降，與此同時還進行細的碳化物溶解與大的碳化物長大的過程。碳的析出起初很快，然后隨著時間的延長逐漸減慢，而對于一定回火溫度仍有一定量的碳存在于固溶體中。碳化物與母相仍保持著共格關系，但晶格扭曲比二相分解時要小些。
很多冷軋輥是進行300~500℃的中溫回火。這時，馬氏體的分解已基本完成，固溶體和碳化物的共格關系已經破壞，固溶體產生回復，碳化物的長大更為顯著，形成所謂回火托氏體。
大部分大鍛件是進行500~700℃的高溫回火。這時，α固溶體進行充分的回復和再結晶，碳化物顯著地長大和聚集，形成所謂回火索氏體。
伴隨著這些回火轉變過程的進行，淬火鋼的硬度也產生變化。低溫回火后，硬度降低較少，高溫回火后硬度降低則非常顯著。
大多數合金元素能夠提離鋼的回火抗力，即在相同的回火工藝之下，碳含量相同的合金鋼比碳鋼具有高的強度和硬度。
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