回火是一种将淬火钢重新加热到临界A1点以下的某一温度，保温一定时间后，在空气或油中冷却到室温的操作。回火通常紧接在淬火之后进行，并作为热处理的最后一步。其主要目的是获得所需的力学性能，包括强度和韧性。在淬火后，零件的强度和硬度显著提高，但塑性和韧性会降低。选择适当的回火温度进行回火后，可以实现预期的力学性能。
回火还有助于稳定组织和尺寸，消除内应力。淬火钢的硬度高、脆性大，存在淬火内应力，并且淬火后的马氏体和残余奥氏体处于非平衡态，是一种不稳定组织。在一定条件下，组织会向平衡组织转变，导致工件的尺寸形状改变，性能发生变化。回火处理可以克服这些弱点。
回火的主要目的是降低淬火钢的脆性，减少内应力，使组织趋于稳定，并获得所需的性能。淬火钢在回火过程中，随着加热温度的提高，原子活动能力增大，其组织会发生四个阶段性的转变。首先是80～200℃时，马氏体分解，析出薄片状细小的ε碳化物。其次是200～300℃时，残余奥氏体分解，形成过渡组织。再次是250～400℃时，马氏体分解完成，形成回火屈氏体。最后是400℃以上时，回火温度超过400℃时，α相开始回复，500℃以上时发生再结晶，形成回火索氏体。
碳钢淬火后在回火过程中发生的组织转变主要有：马氏体和残余奥氏体的分解，碳化物的形成，聚集长大，以及α固溶体的回复与再结晶等几个方面。随回火温度的不同可得到三种类型的回火组织：300℃以下得到M'，硬度与淬火马氏体相近，但塑性、韧性较淬火马氏体提高。回火温度在300～500℃范围内得到回火屈氏体组织，具有较高的硬度和强度以及一定的塑性和韧性。回火温度在500～650℃范围时，得到回火索氏体组织，强度、硬度低而塑性和韧性较高。硬度大约在200℃以后呈直线下降；钢的强度在开始时虽然随着内应力和脆性的减少而有所提高，但自300℃以后也和硬度一样随回火温度升高而降低；而钢的塑性和韧性则相反，自300℃以后迅速升高。
值得注意的是，所有淬火钢回火时，在300℃左右由于薄片状碳化物沿马氏体板条或针叶间界面析出而导致冲击韧性降低，这种现象称为低温回火脆性。生产上要避免在此温度范围内回火。
回火类别包括低温回火、中温回火和高温回火。低温回火将淬硬的钢件加热到150-50℃，保温一定时间后在空气中冷却，多用于切削刀具、量具、模具、滚动轴承和渗碳零件等。中温回火将淬火的钢件加热到350～450℃，保温一段时间后冷却，主要用于各类弹簧及热冲模等零件，使钢件获得较高的弹性、一定的韧性和硬度。高温回火将淬火后的钢件加热到500～650℃，保温后冷却，主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等，使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和韧性及足够的硬度，消除钢件因淬火而产生的内应力。
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