深冷處理涉及的材料多種多樣，包括鋼鐵材料、有色金屬及一些非金屬材料（如塑料、尼龍等），對于不同的材料，深冷處理的機理不盡一致。
對于鋼鐵材料來(lái)說(shuō)，首先深冷處理過(guò)程中發(fā)生了殘余奧氏體向馬氏體的轉變，提高了工件的硬度、強度和尺寸穩定性。其次，深冷處理過(guò)程中由于馬氏體基體體積的收縮，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(dòng)力；另一方面，低溫下殘余奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，材料內應力增加，促進(jìn)了碳化物的析出。于是在隨后的回火過(guò)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，很大程度上提高了材料的耐磨性。除此之外，深冷處理能夠細化組織引起工件的強韌化，同時(shí)引起材料內部缺陷（微孔、內應力集中）發(fā)生塑性流變，使材料表面產(chǎn)生殘余壓應力，深冷處理還能部分轉移原子的動(dòng)能，使原子之間結合得更加緊密，提高材料的性能。
深冷處理能解決熱處理后的幾個(gè)主要作用：
提高材料的耐磨性能
改善材料的尺寸穩定性
提高材料的強度、塑性、韌性、疲勞等綜合性能

改善材料的導電、導熱、耐腐蝕性等物理化學(xué)性能

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