深冷处理的机理国内外的研究已较为广泛和深入，且大家均已基本取得共识，主要的观点如下：
 1、残余奥氏体的改变：
    这一点得到了几乎所有研究的证实。低温下(即Ms点以下) 残余奥氏体继续发生相变，转变为马氏体，提高了工件的硬度和强度。有学者认为深冷可完全消除残余奥氏体；也有学者发现深冷只能降低残余奥氏体的数量，但不能完全消除；还有人认为深冷改变了残余奥氏体的形状、分布和亚结构，有利于提高钢的强韧性。
    
    对合金工具钢和结构钢来说，硬度主要取决于内部残余奥氏体的量。在深冷处理过程中，残余奥氏体的量受两个因素制约：一是深冷处理前材料中奥氏体的量；二是材料的马氏体开始转变点Ms和马氏体转变结束点Mf。而马氏体开始转变点Ms主要取决于钢的化学成份，其中又以碳含量的影响*为显著。材料中残余奥氏体的存在，除了降低硬度以外，在使用或保存过程中残余奥氏体还会发生转变，使材料在磨削过程中可能出现裂缝。从这个角度来看，残余奥氏体的存在会损害材料的耐磨性。但是，经深冷处理之后的残余奥氏体是相当稳定的组织，此时残余奥氏体处于等轴压应力状态，而等轴压应力不会引起塑性变形，这部分残余奥氏体很少再发生转变，它在磨损过程中以韧性相出现，起到缓和应力，防止接触疲劳扩展的作用，使材料的韧性增加。所以，深冷处理对降低材料中的残余奥氏体含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量残余奥氏体的存在对提高材料的韧性也是有好处的。

 2、从马氏体中析出超细碳化物：
    这一点主要原因为马氏体基体组织经深冷处理后，由于体积收缩，铁的晶格常数有缩小的趋势，从而增加了碳原子析出的驱动力；另一方面，低温下残余奥氏体转变为马氏体，材料内应力增加，也促进了碳化物的析出。于是在随后的回火过程中，在马氏体的基体上析出了大量弥散的超微细碳化物，从而引起材料强化。

 3、组织细化：
    组织细化引起工件的强韧化。这主要指原来粗大的马氏体板条发生了碎化。有学者认为马氏体点阵常数发生了变化；也有学��认为马氏体分解析出微细碳化物时造成了组织细化。

 4、表面产生残余压应力：
    深冷处理过程可能引起材料内部缺陷(微孔，内应力集中部位) 的塑性流变。在随后的复温过程中在空位表面产生残余应力，这种应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害。*终表现为磨料磨损抗力的提高。

 5、深冷处理部分转移了金属原子的动能：
    原子间既存在使原子紧靠在一起的结合力，又存在使之分开的动能。深冷处理部分转移了原子间的动能，从而使原子结合的更紧密，提高了金属的性能。