多次回火系指對淬火工件進行多于一次回火的回火工藝，見圖3-6；又可以叫做重復(fù)回火，主要用于對高碳高合金鋼制造工件的回火處理。
W18Cr4V鋼淬火后殘余奧氏體、未回火馬氏體數(shù)量與560℃回火次數(shù)之間的關(guān)系
1-殘余奧氏體；2-未回火馬氏體
一些高碳高合金鋼（如高速鋼）淬火后常有相當數(shù)量的殘余奧氏體。在回火時，自馬氏體及殘余奧氏體中析出細小的合金碳化物（二次硬化的主要原因），殘余奧氏體并經(jīng)受催化以及在冷卻到室溫的過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（也會使鋼的硬度稍有提高）。但是，為獲得更高的硬度并使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變，以及使回火得到的二次馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，消除應(yīng)力以提高鋼的韌性，常需進行3～5次回火。
多次回火時的回火次數(shù)決定于淬火后殘余奧氏體數(shù)量及其回火穩(wěn)定性。
高速鋼普遍淬火后，需進行2～3（一般為3）次回火，回火溫度及回火后的硬度如表3-11所示。圖3-7為W18Cr4V鋼經(jīng)普通淬火，殘余奧氏體和未回火馬氏體數(shù)量與560℃回火次數(shù)的關(guān)系。在每次回火冷卻過程中都有一部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這一部分馬氏體在下一次回火時轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。經(jīng)等溫淬火后，高速鋼組織中保留有更多、更穩(wěn)定的殘余奧氏體。為促使它們的轉(zhuǎn)變，則需進行更多（4甚至5次）次數(shù)的回火。
此外，大型或形狀復(fù)雜的工件回火后，常保留有回火冷卻過程中新產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)進行一次較低溫度的回火以消除之，這一工藝過程也可稱為多次回火。例如，熱鍛模500～580℃回火后，再一次180～200℃的低溫回火，就是為此目的而采用的。
低碳鋼由于Ms點溫度較高(400～500℃)，淬火時得到的低碳馬氏體，在淬冷中途便得到回火，獲得回火馬氏體組織，使鋼的強度及韌性均得到提高。這種方法為軟鋼強韌化的有效方法，稱為淬回火( Qucnch-Temper)。可應(yīng)用于低碳鋼制造的各類受力零件的淬火處理。
某些快速運轉(zhuǎn)機器的滲碳齒輪常在高溫度下工作，要求在350~370℃時具有58HRC以上的硬度。用一般的工藝方法（滲碳、高溫回火、淬火、冷處理、低溫回火）所生產(chǎn)的齒輪在高溫下工作時，僅能達到要求硬度值的下限。為此，可應(yīng)用滲碳二次硬化新工藝方法生產(chǎn)合乎要求的齒輪。
滲碳二次硬化處理工藝包括：含有Cr、W、Mo、V等元素的合金鋼制工件滲碳、高溫淬火（或高溫滲碳后直接淬火）、多(4～5)次高溫回火。經(jīng)二次硬化處理后滲碳齒輪具有較（一般工藝方法生產(chǎn)的齒輪）高的硬度和熱硬度。
高溫(≥1000℃)滲碳并直接淬火后，合金鋼制工件的滲層中含有多達90%左右的殘余奧氏體，硬度僅為25～30HRC。高溫回火(500～550℃)時，在奧氏體中有碳化物析出，使前者的含碳及合金元素減少，促使奧氏體在回火保溫后的冷卻過程轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而使?jié)B層的硬度升高（達62HRC）。又由孚碳化物的析出是在較高溫度(480~520℃)下進行的，其中就含有較多的強碳化物形成元素（如Cr、W、Mo、V等），因此碳化物顆粒較細小，又不易聚集長大，從而使?jié)B層具有較高的硬度和熱硬性。
相反，如工件高溫滲碳冷卻后再進行-196℃的深冷處理，則在深冷處理過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體�；鼗饡r，在較低的回火溫度即有碳化物從馬氏體中析出。這種碳化物是滲碳體型的，顆粒較粗大；在高溫時也易聚集長大，因而滲層具有較低的硬度和熱硬性。