淬火后在500-650℃范圍內的回火，稱為高溫回火。高溫回火時，馬氏體全部消失，碳化鐵呈球狀，硬脆特征也消除。與粗片珠光體相比.強度、塑性與韌性均有所提高，這對于提高中碳鋼的力學性能很有實用意義。淬火加高溫回火的熱處理叫做調質處理，廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。壓力容器用低碳鋼和低合金鋼采用調質處理，可以提高鋼材的強度和韌性，以更好地發揮材料的潛力。
這里還需要指出，淬火必須在極快的冷卻速度下才能完成。如果鋼件的尺寸很大，那么放到水中或油中淬火時。有可能在表面上受到快速冷卻而形成馬氏體，而鋼件芯部由于冷卻得慢，仍然得不到馬氏體;或者因芯部熱訊散發而減緩表面的冷卻速度，甚至連表面上也得不到馬氏體。從實踐得知，35號鋼在水中淬火的最大直徑為φ8 mm -φ13 mm，在油中淬火的最大直徑為φ 4 mm~φ 8 mm，否則在芯部就得不到馬氏體。所以大尺寸的鋼件要進行淬火或調質處理就有困難。為解決這個問題，通常在鋼中加入某些合金元素。即使冷卻速度慢一些，仍能得到馬氏體組織。
壓力容器用鋼回火一般采用高溫回火處理，回火后的組織一般為回火馬氏體或回火馬氏體+回火貝氏體。而對于正火后獲得鐵素體+珠光體組織的鋼種一般沒有必要進行高溫回火。
