Bei dem Tiefkühlen wird das zuvor wärmebehandelte Werkstück unter zu Hilfenahme von Stickstoff auf Temperaturen bis zu maximal -120°C abgekühlt. Diese Behandlung zielt darauf ab, Spannungen im Metall abzubauen oder das kristalline Gefüge zu verändern.

Die Eigenschaften eines Metalls hängen stark von seinem Kristallgefüge ab. Beim Stahl ist der Kohlenstoffgehalt entscheidend. Durch den Temperatursturz bleibt dem Stahl für die übliche Gefügeumwandlung nicht genügend Zeit. Das Gefüge wird sozusagen "eingefroren".

Somit bewirkt der Tiefkühlprozess eine Umwandlung des Restaustenits in Martensit und ermöglicht die gezielte Gefügeumwandlung oder die Beibehaltung eines bestimmten Gefügezustandes.