淬火后的鋼件獲得了高硬度馬氏體組織，但同時伴隨著高內應力與高脆性，直接服役極易開裂或早期失效。回火（Tempering）就是將淬火后的工件重新加熱到 Ac1 臨界點以下的適當溫度，保溫一定時間后以合適速度冷卻，使亞穩的馬氏體組織發生分解與轉變，在硬度與韌性之間取得平衡的關鍵工序。國外冶金資料指出，回火是決定鋼件最終服役組織與性能的核心環節，其工藝控制直接影響零件的疲勞壽命與安全可靠性。
回火過程按溫度區間可分為四個相互重疊的階段。metallurgy Zone等資料總結：第一階段在100至200攝氏度，馬氏體中過飽和的碳以ε-碳化物形式析出；第二階段在200至300攝氏度，殘余奧氏體分解為回火馬氏體與貝氏體；第三階段在250至350攝氏度，ε-碳化物轉變為更穩定的滲碳體；第四階段在350至700攝氏度，滲碳體發生球化、鐵素體回復再結晶，材料韌性顯著提升。理解這四個階段的組織變化，是選擇回火溫度、避免回火脆性區的基礎。
溫度與保溫時間是決定硬度與韌性匹配的核心參數。Bloor Engineering資料指出，回火溫度越高，硬度越低、韌性越高；低溫回火（150至250攝氏度）用于刀具、軸承等要求高硬度耐磨的零件；中溫回火（350至500攝氏度）用于彈簧、模具；高溫回火（500至650攝氏度）即調質處理，用于傳動軸、齒輪等綜合力學性能要求高的零件。UTEC資料建議回火保溫時間通常不少于2小時，并按截面厚度延長。同時強調趁熱回火：淬火后應在工件仍有50至70攝氏度余熱時立即入爐回火，碳鋼件延遲不宜超過2小時，工具鋼不超過1小時，以防止淬火裂紋。
對熱處理爐企業而言，回火爐的設計應圍繞"溫控精準、溫度均勻、操作安全"展開：爐溫均勻性直接影響批量零件硬度一致性，建議配備熱風循環與精密溫控系統；對于大型工裝與模具回火，需考慮低溫區保溫與出爐冷卻的可控性；對于連續生產線，應與淬火工序銜接，實現趁熱回火。隨著高端裝備對零件可靠性要求的提升，具備精準溫控、氣氛保護與過程記錄能力的回火爐將成為熱處理車間的標配。