回火时高速钢中马氏体、残余奥氏体和碳化物都发生变化，所以回火转变是个复杂的过程，包括碳化物从马氏体中析出、合金元素在固溶体和碳化物之间重新分布的过程。

在150~200℃之间回火时从马氏体中开始析出ε碳化物，马氏体的含碳量开始降低，硬度略有下降。同时淬火应力得以部分消除，强度、塑性有所恢复。

在250~400℃回火，随着合金渗碳体的不断析出，马氏体的含碳量进一步降低，钢的硬度进一步降低，塑性韧性有所恢复，这个时候钢的硬度从HRC63~65降低到HRC58~60。

在400~500℃回火时有特殊碳化物析出。合金元素铬从固溶体中减少，在碳化物中增加，铬的碳化物更难聚积，细小分散，在马氏体基体上析出使马氏体硬度略有提高（提高到HRC61）。

继续提高加热温度，在500~600℃回火时，高速钢的硬度、强度和塑性均提高，在550~570℃可以达到最大值。这一方面是有细小弥散的钨钼和钒碳化物析出，形成了弥散。另一方面残余奥氏体不断分解转变为马氏体和碳化物，使合金的硬度进一步提高，可达到HRC63~66，造成所谓的“二次硬化”。

在600℃以上回火时马氏体中继续析出碳化物，且其析出过程随回火温度提高而加速。合金碳化物开始聚积，硬度开始下降。

所以高速钢在回火过程中得到的硬度可以保持到600℃。这是由于弥散析出的钨和钒的碳化物具有高的稳定性，不易聚积长大；其次是由于钨的扩散困难，在马氏体仍然保留足够的钨，使马氏体很难继续分解。