淬火后在500-650℃范围内的回火，称为高温回火。高温回火时，马氏体全部消失，碳化铁呈球状，硬脆特征也消除。与粗片珠光体相比.强度、塑性与韧性均有所提高，这对于提高中碳钢的力学性能很有实用意义。淬火加高温回火的热处理叫做调质处理，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。压力容器用低碳钢和低合金钢采用调质处理，可以提高钢材的强度和韧性，以更好地发挥材料的潜力。
这里还需要指出，淬火必须在极快的冷却速度下才能完成。如果钢件的尺寸很大，那么放到水中或油中淬火时。有可能在表面上受到快速冷却而形成马氏体，而钢件芯部由于冷却得慢，仍然得不到马氏体;或者因芯部热讯散发而减缓表面的冷却速度，甚至连表面上也得不到马氏体。从实践得知，35号钢在水中淬火的最大直径为φ8 mm -φ13 mm，在油中淬火的最大直径为φ 4 mm~φ 8 mm，否则在芯部就得不到马氏体。所以大尺寸的钢件要进行淬火或调质处理就有困难。为解决这个问题，通常在钢中加入某些合金元素。即使冷却速度慢一些，仍能得到马氏体组织。
压力容器用钢回火一般采用高温回火处理，回火后的组织一般为回火马氏体或回火马氏体+回火贝氏体。而对于正火后获得铁素体+珠光体组织的钢种一般没有必要进行高温回火。
