焼戻し
まず80 - 160°Cまで加熱すると、マルテンサイトからε炭化物と呼ばれる炭化物が析出し、マルテンサイトは低炭素マルテンサイトあるいは焼戻しマルテンサイトと呼ばれる組織に変わり、組織は低炭素マルテンサイトとε炭化物で構成されるようになる。焼入れによる高炭素マルテンサイトはオーステナイトの炭素含有量をそのまま受け継いで炭素を0.8%含有しているのに対し、低炭素マルテンサイトは0.2 - 0.3%程度の含有量である。結晶構造は、高炭素マルテンサイトは正方晶であるのに対し、低炭素マルテンサイトは立方晶を取る。ε炭化物は六方晶の結晶構造を持ち、Fe2 - 2.5CあるいはFe2 - 3Cで表され、標準組織で析出するFe3Cのセメンタイトとは異なる。また、このような変化により体積が縮小する。この変化は高炭素マルテンサイトが存在する場合のみに発生するので、炭素含有量0.3%以下の低炭素鋼では発生しない。
よって、上式左辺は係数が掛かっているが焼戻しパラメータPと同等である。ここで、
P = 0.4342 Q R {\displaystyle P={\frac {0.4342Q}{R}}}
C = log  ( B A ) {\displaystyle C=\log(BA)}
と置けば最初の焼戻しパラメータの式が得られる。
材料定数Cは、マルテンサイト中の炭素含有量C%の変数として以下のような推定式がある。
tが秒単位のとき
C = 17.7 − 5.8 C % {\displaystyle C=17.7-5.8C\%}
tが時間単位のとき
C = 21.3 − 5.8 C % {\displaystyle C=21.3-5.8C\%}
あるいは、同じ焼戻し硬さが得られる2組のT、tを実験などから得ることができれば、それぞれの組み合わせをT1、t1とT2、t2として、以下のようにCの値に得られる。
C = T 2 log  t 2 − T 1 log  t 1 T 1 − T 2 {\displaystyle C={\frac {T_{2}\log t_{2}-T_{1}\log t_{1}}{T_{1}-T_{2}}}}
以上のように理論的には焼戻しパラメータによって得たい機械的性質に対する任意の温度と時間を選べる。ただし実際には、保持時間は1 - 2時間を目安として、得たい機械的性質によって焼戻し温度を選択する場合が一般的である。
以上の組織変化に加えて、合金鋼の場合、400 - 450°C以上に加熱すると固溶されていた合金元素も放出され、合金鋼特有の変化が発生するようになる。この変化を第3段階に続く第4段階に加える場合もある。その合金鋼特有の炭化物が発生するようになり、次のような現象が発生する。
高合金鋼を焼戻しすると、焼戻し前よりも硬さが向上する場合がある。このような焼戻しによる硬化を、焼入れによる硬化を一次硬化として、二次硬化、あるいは焼戻し硬化と呼ぶ。二次硬化の要因は、残留オーステナイトが焼戻しによりマルテンサイト化することによる硬化と複炭化物の微細析出による硬化の2つである。二次硬化時に残留オーステナイトから変態したマルテンサイトは通常の焼入れ時に発生するマルテンサイトと同じなので、二次硬化を伴った焼戻し後には更にもう1回、2回焼戻しを繰り返すことが必要となる。
低温焼戻しに対して比較的高温域で焼戻しすることで、靱性を高める焼戻しを高温焼戻しと呼ぶ。焼戻し温度は目安として温度400 - 680 °Cの範囲で行われる。加熱装置には塩浴や燃焼炉、電気炉が用いられる。
前述で説明した通り、焼戻し温度によって得られる組織が異なる。高温焼戻しと呼ばれる焼戻し温度域の中でも、400 - 500°Cから焼き戻すとトルースタイトと呼ばれる組織が得られる。トルースタイトのビッカース硬さは約400HVで、硬さを残しつつ靱性もある程度高い組織が得られる。ただし、トルースタイトは錆びやすいのが欠点の1つである。実際の製品としては高級刃物やばね類などに適用される。
500 - 650°Cから焼き戻すとソルバイトと呼ばれる組織が得られる。ソルバイトのビッカース硬さは約280HVで、鋼の組織の中では最も靱性が高いのが特徴となっている。適度の強さと高い靱性を得られることから機械構造用鋼に適しており、実際の製品としても、トルースタイトと同じくばね類も含め、機械部品全般で広く採用される。
日本工業規格によれば、高温焼戻しでトルースタイトかソルバイト組織を得る焼入焼戻しを、特に調質と呼ぶ。または、ソルバイト組織を得る焼入焼戻しに限って調質と呼ぶ場合もある。高温焼戻しが適用される製品としては、上記で述べたもの以外では、軸、高強度ボルト、軽中荷重用歯車などがある。