深冷工藝可以使硬度較低的殘余奧氏體轉變為較硬的、更穩定的、耐磨性和抗熱性更高的馬氏體。馬氏體的晶界、晶界邊緣、晶界內部分解、細化，析出大量超細微的碳化物，過飽和的馬氏體在深冷的過程中，過飽和度降低，析出的超細微碳化物，與基體保持共格關系，能使馬氏體晶格畸變并減小，微觀應力降低，而細小彌散的碳化物在材料塑性變形時可以阻礙位錯運動，從而強化基體組織；同時由于超細微的碳化物析出，均勻分布在馬氏體基體上，減弱了晶界催化作用，而基體組織的細化既減弱了雜質元素在晶界的偏聚程度，又發揮了晶界強化作用。從而使材料的綜合力學性能得到三個方面的提高：材料內部熱應力和機械應力大為降低，并且由于降溫過程中使微孔或應力集中部位產生了塑性流變，而在升溫過程中會在此類空位表面產生壓應力，這種壓應力可以大大減輕缺陷對工件局部性能的損害，從而有效地減少了金屬工件產生變形、開裂的可能性。
深冷工藝的處理過程中，被處理材料置于特定的、可控的低溫環境中，材料的微觀組織結構發生變化，從而改善材料性能。關于深冷處理的機理問題，現在還處于一個研究的初期階段，對材料內部變化的認識還不夠完善。相對來說，有關黑色金屬(鋼鐵)的深冷機理研究較為深入、透徹，各國研究者已達成一些共識：
?、贇埩魥W氏體轉變成馬氏體提高了材料的硬度和強度，同時改善了材料的尺寸穩定性。
?、趶鸟R氏體基體中析出超細碳化物顆粒，提高了材料的耐磨性，從而提高零件的使用壽命。
?、垴R氏體板條碎化，使組織得到細化，從而引起工件的強韌化。
?、芙档筒牧蟽炔康臍埩魬?，從而提高材料的尺寸穩定性。
