鋼淬火後的顯微組織為馬氏體和少量殘余奧氏體，為不穩定組織，傾向於轉變為穩定組織(鐵素體和滲碳體兩相混合物)。但在室溫下，原子活性很差，這種轉化速度極其緩慢。隨著回火溫度的升高，原子活性加強，組織轉變速度加快。由於顯微組織的變化，鋼的性能也隨之變化。
根據回火溫度的不同，淬火鋼在回火過程中的組織轉變可分為四個階段。
馬氏體在1分解。80-200℃.當鋼加熱到80℃左右時，其內部原子活動能力增加，馬氏體中的過飽和碳開始以碳化物的形式析出，馬氏體中碳的過飽和度降低。同時，晶格畸變和內應力減小。
這種由低過飽和度的馬氏體和極細小的碳化物組成的組織，稱為回火馬氏體。
2.殘余奧氏體在200-300℃分解。當鋼的加熱溫度超過200℃時，馬氏體繼續分解，同時殘余奧氏體開始分解，轉變為下貝氏體或回火馬氏體。當溫度達到300℃時，殘余奧氏體的分解基本結束。
3.300-400℃時滲碳體的形成。在鋼的回火階段，從過飽和固溶體中析出的碳化物轉變為粒狀滲碳體(Fe3C)。當溫度達到400℃時，α固溶體中的過飽和碳基本完全析出，α-Fe晶格恢復正常，由過飽和固溶體轉變為鐵素體。鋼的內應力基本消除。
4.滲碳體在400℃以上聚集長大。在第三階段結束時，在鋼中形成具有均勻分布在鐵素體基體上的細小滲碳體的兩相混合物。隨著回火溫度的升高，滲碳體顆粒不斷聚集長大。根據混合物中滲碳體顆粒的大小，回火顯微組織可分為兩種:在400-500℃形成的顯微組織，滲碳體顆粒非常細小，稱為回火屈氏體。