高碳钢的回火是紧接着淬火的一种热处理操作。也往往是零件在整个热处理生产过程中的最后一道工序，一般都是通过控制回火操作的工艺参数使零件获得所需要的性能，因此回火操作的正确与否对工件的使用寿命及性能有着决定性的作用。回火的目的主要是减少或者消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高碳钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工具的性能需求。
高碳钢钢件在淬火后得到马氏体或者马氏体加残余奥氏体组织。马氏体与残余奥氏体在钢的临界点以下的温度都是亚稳相。根据热力学条件，它们具有转变到稳定相（铁素体及奥氏体）的倾向。在这温度范围内加热时，马氏体及奥氏体都将分解或者转变。这些过程的进行程度随着钢的成分、淬火后的组织、所选的回火工艺参数而异。随着回火温度的不断升高，回火时间的不断延长，最终将转变成铁素体及碳化物的复相组织[11]。
回火温度决定着钢的回火后组织性能等因素。通常根据回火后试样的组织形貌以及性能将回火分为三类，即低温回火、中温回火和高温回火[11]。根据实际生产经验，将150℃～250℃的回火处理称为低温回火，250℃～450℃的回火处理称为中温回火，450℃～650℃的回火处理称为高温回火。三类回火的温度范围只是适应于一般钢种，对于合金钢等一些特殊钢种，由于合金元素的影响，会提高钢的回火抗力，因此回火的温度会高些。
钢淬火后在经过低温回火处理时马氏体会发生分解，析出ε-碳化物而变成回火马氏体。经低温回火后，钢在淬火过程中产生的残余内应力基本可以消除，但是马氏体组织基本保持不变，因此低温回火可以在不降低钢的硬度强度的同时显著的改善钢的塑性韧性。这对于要求高硬度、高耐磨性以及适当韧性的应用场合时非常合适的。因此，凡是由高碳的中低合金钢制成的工、模、量具和滚珠轴承等均采用低温回火。工、模具的回火温度一般取200℃左右，轴承零件的回火一般取160℃左右，至于量具，除了硬度和耐磨性以外，还要有良好的尺寸稳定性，而这又与回火组织中未分解的残余奥氏体及内应力有关。因此在低温回火前，往往增加冷处理工序，以清除内应力和稳定残余奥氏体。
中温回火后所得到的组织主要为回火托氏体。根据实际经验和一些钢种的试验可以知道，钢的弹性极限在200℃到400℃范围内可以出现峰值。高于或者低于这个范围内回火，弹性极限则很低。高温回火后弹性极限低的原因是因为钢的强度太低，低温回火后弹性极限低的原因是其内应力太大。据分析，残余奥氏体在200℃以上温度回火将发生转变，也可能是提高弹性极限的一个原因。因此可见，中温回火主要用于各种弹簧钢，从而使钢获得最大的弹性极限。碳素弹簧钢的回火取此温度范围的下限，例如65钢在380℃回火；合金弹簧钢的回火取此范围的上限，例如55Si2Mn钢在480℃回火，因为合金元素提高了钢的回火抗力。碳钢中温回火后的组织中，渗碳体颗粒开始发生粗化和球化，但是其尺寸仍很小，无法再光学显微镜下分辨，这种组织叫做回火托（屈）氏体。
高温回火后的组织主要是回火索氏体，它是在铁素体基体上均匀分布的粒状的渗碳体组织。习惯上将淬火和随后的高温回火结合的热处理工艺称为调质处理。经过调质处理后的钢其硬度较高，塑性、韧性很好，因此高温回火广泛的应用于那些要求具有良好综合力学性能的结构零件，例如汽车的轮机转子、压气机盘、汽车曲轴等。对于具有二次硬化作用的高合金钢，往往采用高温回火获得高的硬度、耐磨性和红硬性。高速钢是其中的典型。但是采用这种高温回火时有两点必须注意：（1）必须与恰当的淬火相配合才能得到满意的结果。例如Cr12钢，如果在980℃淬火，由于许多碳化物未能溶入奥氏体中，使其合金元素和含碳量较低，淬火后的硬度虽高，但是高温回火后，硬度反而下降。如果将淬火温度提高到1080℃，使奥氏体中的合金元素和碳含量大增，淬火后由于出现大量参与奥氏体，虽其硬度较低，但是二次硬化效果却十分显著；（2）高温回火后还必须至少在相同温度或较低温度再回火一次。这是由于高温回火后，部分残余奥氏体会发生二次淬火，形成新的淬火马氏体。而未经回火的马氏体是不允许直接使用的（除非是低碳马氏体）。例如高速钢通常要在560℃回火三次，国外的工厂甚至在三次回火后还加一次200℃的低温回火，以消除任何可能出现的未回火马氏体。 高碳钢不同热处理相结构和尺寸变化+文献综述(6):http://www.751com.cn/cailiao/lunwen_2024.html