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、未回火馬氏體數量與560℃回火次數之間的關系
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），殘余奧氏體并經受催化以及在冷卻到室溫的過程中轉變為馬氏體（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變，以及使回火得到的二次馬氏體轉變為回火馬氏體，消除應力以提高鋼的韌性，常需進行3～5次回火。
多次回火時的回火次數決定于淬火后殘余奧氏體數量及其回火穩定性。
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鋼經普通淬火，殘余奧氏體和未回火馬氏體數量與560℃回火次數的關系。在每次回火冷卻過程中都有一部分殘余奧氏體轉變為馬氏體。這一部分馬氏體在下一次回火時轉變為回火馬氏體。經等溫淬火后，高速鋼組織中保留有更多、更穩定的殘余奧氏體。為促使它們的轉變，則需進行更多（4甚至5次）次數的回火。
此外，大型或形狀復雜的工件回火后，常保留有回火冷卻過程中新產生的應力，應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，可應用滲碳二次硬化新工藝方法生產合乎要求的齒輪。
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。經二次硬化處理后滲碳齒輪具有較（一般工藝方法生產的齒輪）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變為馬氏體而使滲層的硬度升高（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，從而使滲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變為馬氏體。回火時，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。