高溫回火是指把零件淬火後，再加熱到500~650℃，一般是加熱到臨界點的某一溫度，保溫一段時間後，以適當的速度冷卻。
高溫回火得到鐵素體+細粒狀滲碳體的混合物，即回火索氏體組織。具有優良的綜合力學效能，多用於結構零件淬火後的回火，如連桿、螺栓、齒輪及軸。淬火+高溫回火稱為調質。
一般用於淬火的後續處理，淬火+高溫回火被稱為調質處理，在工業生產中有廣泛的應用。回火溫度範圍為500-650攝氏度，有利於徹底消除內應力，提高金屬的塑性和韌性，回火一般採用空氣中冷卻。硬度一般在25~35HRC之間，回火後的組織為回火索氏體。主要應用於含碳量為0.3%-0.5%的碳鋼和合金鋼製造的各類連線和傳動的結構零件。
