深冷處理的機理國內外的研究已較為廣泛和深入，且大家均已基本取得共識，主要的觀點如下：
 1、殘余奧氏體的改變：
    這一點得到了幾乎所有研究的證實。低溫下(即Ms點以下) 殘余奧氏體繼續發生相變，轉變為馬氏體，提高了工件的硬度和強度。有學者認為深冷可完全消除殘余奧氏體；也有學者發現深冷只能降低殘余奧氏體的數量，但不能完全消除；還有人認為深冷改變了殘余奧氏體的形狀、分布和亞結構，有利于提高鋼的強韌性。
    
    對合金工具鋼和結構鋼來說，硬度主要取決于內部殘余奧氏體的量。在深冷處理過程中，殘余奧氏體的量受兩個因素制約：一是深冷處理前材料中奧氏體的量；二是材料的馬氏體開始轉變點Ms和馬氏體轉變結束點Mf。而馬氏體開始轉變點Ms主要取決于鋼的化學成份，其中又以碳含量的影響*為顯著。材料中殘余奧氏體的存在，除了降低硬度以外，在使用或保存過程中殘余奧氏體還會發生轉變，使材料在磨削過程中可能出現裂縫。從這個角度來看，殘余奧氏體的存在會損害材料的耐磨性。但是，經深冷處理之后的殘余奧氏體是相當穩定的組織，此時殘余奧氏體處于等軸壓應力狀態，而等軸壓應力不會引起塑性變形，這部分殘余奧氏體很少再發生轉變，它在磨損過程中以韌性相出現，起到緩和應力，防止接觸疲勞擴展的作用，使材料的韌性增加。所以，深冷處理對降低材料中的殘余奧氏體含量，提高材料的硬度及耐磨性起了很大作用，此外材料中一定量殘余奧氏體的存在對提高材料的韌性也是有好處的。

 2、從馬氏體中析出超細碳化物：
    這一點主要原因為馬氏體基體組織經深冷處理后，由于體積收縮，鐵的晶格常數有縮小的趨勢，從而增加了碳原子析出的驅動力；另一方面，低溫下殘余奧氏體轉變為馬氏體，材料內應力增加，也促進了碳化物的析出。于是在隨后的回火過程中，在馬氏體的基體上析出了大量彌散的超微細碳化物，從而引起材料強化。

 3、組織細化：
    組織細化引起工件的強韌化。這主要指原來粗大的馬氏體板條發生了碎化。有學者認為馬氏體點陣常數發生了變化；也有學??認為馬氏體分解析出微細碳化物時造成了組織細化。

 4、表面產生殘余壓應力：
    深冷處理過程可能引起材料內部缺陷(微孔，內應力集中部位) 的塑性流變。在隨后的復溫過程中在空位表面產生殘余應力，這種應力可以減輕缺陷對材料局部強度的損害。*終表現為磨料磨損抗力的提高。

 5、深冷處理部分轉移了金屬原子的動能：
    原子間既存在使原子緊靠在一起的結合力，又存在使之分開的動能。深冷處理部分轉移了原子間的動能，從而使原子結合的更緊密，提高了金屬的性能。