將經過淬火的工件重新加熱到低於下臨界溫度的適當溫度，保溫一段時間後在空氣或水、油等介質中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火後具有以下特點：①得到瞭馬氏體、貝氏體、殘餘奧氏體（見鋼鐵顯微組織）等不平衡（即不穩定）組織；②存在較大內應力；③力學性能不能滿足要求。因此，鋼鐵工件淬火後一般都要經過回火。
作用 回火的作用在於：①提高組織穩定性，使工件在使用過程中不再發生組織轉變，從而使工件件幾何尺寸和性能保持穩定；②消除內應力，以便改善工件的使用性能並穩定工件幾何尺寸；③調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。
回火之所以具有這些作用，是因為溫度升高時，原子活動能力增強，鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散，實現原子的重新排列組合，從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時，硬度和強度下降，塑性提高。回火溫度越高，這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼，在某一溫度范圍回火時，會析出一些顆粒細小的金屬化合物，使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化。
要求 用途不同的工件應在不同溫度下回火，以滿足使用中的要求。①刀具、軸承、滲碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下進行低溫回火。低溫回火後硬度變化不大，內應力減小，韌性稍有提高。②彈簧在350～500℃下中溫回火，可獲得較高的彈性和必要的韌性。③中碳結構鋼制作的零件通常在500～600℃進行高溫回火，以獲得適宜的強度與韌性的良好配合，淬火加高溫回火的熱處理工藝總稱為調質。
鋼在300℃左右回火時，常使其脆性增大，這種現象稱為第一類回火脆性。一般不應在這個溫度區間回火。某些中碳合金結構鋼在高溫回火後，如果緩慢冷至室溫，也易於變脆。這種現象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬，或回火時在油或水中冷卻，都可以防止第二類回火脆性。將第二類回火脆性的鋼重新加熱至原來的回火溫度，便可以消除這種脆性。