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回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。回火温度越高，这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。
（二）淬火钢在回火时组织与性能的变化：
淬火钢在回火时的组织转变可分为如下四个阶段：
第一阶段（室温至250℃）：在这一温度范围内回火，淬火马氏体分解，过饱和的碳原子析出，形成碳化物FeχC，马氏体中碳的过饱和程度降低。回火组织称为回火马氏体。
第二阶段（230～280℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和α固溶体与碳化物。回火组织亦称为回火马氏体。
第三阶段（260～360℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，过饱和α固溶体中的碳继续析出而转变为铁素体；回火马氏体中的FeχC转变为稳定的粒状渗碳体。此阶段回火后的组织为铁素体与极细渗碳体的机械混合物，称为回火屈氏体。
第四阶段（400℃以上）：在400℃以上回火，碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大。这种适当聚集长大后的粒状碳化物与铁素体的机械混合物称为回火索氏体。
综上所述，淬火钢在回火过程中，随着回火温度升高，发生一系列的组织变化，必然引起性能的变化，总的趋势是随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。
（三）钢件在回火时的主要缺陷：
① 硬度过低 主要原因是回火温度过高或保温时间过长等。
② 硬度过高、脆性过大 主要原因是回火温度过低或保温时间过短；在脆性温度范围内回火或冷却方式不当等。
1.4.3 硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、文氏硬度等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及显微硬度、高温硬度等多种方法。
洛氏硬度是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。通常压入材料的深度越大，材料越软；压入的深度越小，材料越硬。
根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：
HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。
HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。
HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。
1.4.4 回火脆性
回火脆性，是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。淬火钢在回火时，随着回火温度的升高，硬度降低，韧性升高，但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷，一个在 200~400℃之间，另一个在450~650℃之间。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。