高淬透性合金钢材（或马氏体钢等），用普通退火虽可使晶粒、组织细化，但为使硬度降低，需要长时间极为缓慢的冷却（冷速20～30℃/h），很不经济，钢材表面氧化、脱碳也较严重。此时可采用两次退火的方法，即先进行一次冷速较快(100～200℃/h)的完全退火，而后再进行低温退火，便可达到细化晶粒，均匀组织，同时使硬度降低到规定范围之内的目的，而总的工艺时间还能适当缩短。
钢材低温退火温度应视钢中内应力大小和所需达到的软化程度而定。硬度的降低主要取决于碳化物的形态及分布的改变，即由片状珠光体向球状珠光体、由细球状珠光体向粗球状珠光体的转化。温度愈高，这种转化愈快也愈完全，所得硬度也愈低。同样，加热温度也不易于过分接近Ac1，否则由于温度起伏而导致相变发生。钢材低温退火的加热速度一般可不加限制，高合金钢材因导热性差，可稍慢些，多控制在50～100℃/h之间。保温时间通常为3～4h。保温后一般由炉中取出空冷。尺寸较大的钢材，为避免产生较大的内应力，可先在炉中冷到450～500℃，然后空冷。对回火脆性倾向性较大的钢材，炉冷后可继之以水冷。