低溫形變熱處理是將鋼加熱至奧氏體狀態，迅速冷卻至Ac1點以下、Ms點以上過冷奧氏體亞穩溫度范圍進行大量塑性變形，然后立即淬火并回火獲得所需要的性能的熱處理工藝。塑性變形可采用鍛造、軋制或拉拔等加工方法。該工藝僅適用于珠光體轉變區和貝氏體轉變區之間( 400~550℃)有很長孕育期的某些合金鋼。在該溫度區間進行變形可防止珠光體或貝氏體相變。低溫形變熱處理在鋼的塑性和韌性不降低或降低不多的情況下，可以顯著提高鋼的強度和疲勞極限，提高鋼抗磨損性和耐回火性。低溫形變熱處理比高溫形變熱處理具有更高的強化效果，且塑性并不降低。

低溫形變熱處理使鋼顯著強化的原因主要是鋼低溫形變后，亞晶細化，位錯密度大大提高，從而強化了馬氏體。形變使奧氏體晶粒細化，進而又細化了馬氏體片，對強度也有貢獻。對于含有強碳化物形成元素的鋼，奧氏體在亞穩區形變時，促使碳化物彌散析出，使鋼的強度進一步提高。由于奧氏體內合金碳化物析出使其碳及合金元素量減少，提高了鋼的Ms點，大大減少了孿晶馬氏體的量，因而低溫形變熱處理鋼又具有良好的塑性和韌性。

低溫形變熱處理可用于結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼及工具鋼。經低溫形變熱處理后，結構鋼強度和韌性顯著提高，彈簧鋼疲勞強度、軸承鋼強度和塑性、高速工具鋼切削性能和模具鋼耐回火性均得到提高。