回火時高速鋼中馬氏體、殘余奧氏體和碳化物都發生變化，所以回火轉變是個復雜的過程，包括碳化物從馬氏體中析出、合金元素在固溶體和碳化物之間重新分布的過程。

在150~200℃之間回火時從馬氏體中開始析出ε碳化物，馬氏體的含碳量開始降低，硬度略有下降。同時淬火應力得以部分消除，強度、塑性有所恢復。

在250~400℃回火，隨著合金滲碳體的不斷析出，馬氏體的含碳量進一步降低，鋼的硬度進一步降低，塑性韌性有所恢復，這個時候鋼的硬度從HRC63~65降低到HRC58~60。

在400~500℃回火時有特殊碳化物析出。合金元素鉻從固溶體中減少，在碳化物中增加，鉻的碳化物更難聚積，細小分散，在馬氏體基體上析出使馬氏體硬度略有提高（提高到HRC61）。

繼續提高加熱溫度，在500~600℃回火時，高速鋼的硬度、強度和塑性均提高，在550~570℃可以達到最大值。這一方面是有細小彌散的鎢鉬和釩碳化物析出，形成了彌散。另一方面殘余奧氏體不斷分解轉變為馬氏體和碳化物，使合金的硬度進一步提高，可達到HRC63~66，造成所謂的“二次硬化”。

在600℃以上回火時馬氏體中繼續析出碳化物，且其析出過程隨回火溫度提高而加速。合金碳化物開始聚積，硬度開始下降。

所以高速鋼在回火過程中得到的硬度可以保持到600℃。這是由于彌散析出的鎢和釩的碳化物具有高的穩定性，不易聚積長大；其次是由于鎢的擴散困難，在馬氏體仍然保留足夠的鎢，使馬氏體很難繼續分解。