Kriyojenik işlemde, malzemeler çok düşük sıcaklıklara (-196 ºC) soğutularak istenilen metalurjik ve mikro yapısal özelliklere kavuşması sağlanmaktadır. Bu sıcaklıklara düşülmesi, sisteme bilgisayar kontrollü sıvı azot (N2) beslenmesi ve en uygun yalıtım malzemelerinin kullanılması ile mümkün olmaktadır. Kriyojenik işlem “derin” ve “sığ” olmak üzere ikiye ana kategoriye ayrılmaktadır. Sığ kriyojenik işlemde malzemelerin sıcaklığı -150 ºC civarına düşürülerek malzemelerin mekanik özelliklerinde kayda değer bir iyileşme olmasına rağmen istenilen özellikler tam olarak elde edilememektedir. Derin kriyojenik işlemde malzemeler -196 ºC’ye kadar soğutulmakta, bu işlemin etkileri sığ kriyojenik işleme göre belirgin bir şekilde yükselmektedir.

Kriyojenik işlem, çelikler, dökme demirler, demir dışı metaller, alaşımlar, karbürler, plastikler, seramikler gibi geniş bir malzeme aralığına uygulanabilmektedir. İşlem 1-2 ºC/dk hızlarla soğutulmakta ve 36 ile 72 saat arasında yapılmakta olup malzeme çeşidine ve ağırlığına göre değişiklik gösterebilmektedir. Kriyojenik işlemde 3 çevrim söz konusu olmaktadır. Bu çevrimler ise kısaca, kontrollü soğutma, bekletme, kontrollü Isıtma şeklinde düşünülebilmektedir. Sistemin bilgisayar kontrollü ve sıvı azot-parça temasını engellemesi dolayısıyla parça boyutlarında herhangi bir değişme olması engellenmekte ve parçada çatlama riski ortadan kaldırılmakta ya da büyük oranda azaltılmaktadır. Bu özel işlem bir yüzey işlemi olmayıp malzemenin her noktasında aynı etki yaratabilmektedir.

Kriyojenik işlemin birçok etkisi olmaktadır. Etkileri temelde birkaç ana başlıkta toplanabilmektedir. Bunlar kısaca; kalıntı östenit fazını martenzite dönüştürme, karbür formlarındaki değişme, tane yapısında incelme, iç gerilmelerin giderilmesi şeklinde sıralanabilir.

Geleneksel ısıl işlem uygulamalarında çelikleri sertleştirmek amacıyla öncelikle östenit fazı elde edilmektedir. Bu faz hızlı soğutularak martenzit fazı elde edilmek istenmektedir. Fakat geleneksel ısıl işlem sonucunda östenit fazının hepsi martenzite dönüşememektedir. Bu noktada kriyojenik işlem devreye girerek yaklaşık olarak bütün kalıntı östenit fazını martenzite dönüştürmektedir.

Geleneksel sertleştirme yöntemlerinde karbürler kristal yapısının içine girerek kristal yapısında gerilmelere neden olabilmektedir. Kriyojenik işlem sırasında karbür partikülleri kristal latisten kurtularak malzeme içerisinde dağılabilmektedir. Bu sayede kalıntı gerilmeler önemli derecede azalmakta ve yüksek sertlikte karbür yapıları meydana gelerek aşınma direncinde yüksek artışlara sebep olabilmektedir.

Alaşımı oluşturan atomlar yapıda en kararlı oldukları yerde durmak istemektedirler. Bu atomlar kriyojenik işlem sayesinde optimum dizilişi yakalayarak tane yapısında incelmeye neden olabilmektedir. Bu sayede, moleküler bağlar güçlenmekte ve malzemenin aşınma direncinde artış meydana gelebilmektedir.

Atomların yeniden dizilişi ve bu nedenle tane yapısındaki incelme nedeniyle kristal yapısındaki atom boşlukları (hataları) giderilerek birim hacimdeki atom yoğunluğu artırabilmektedir. Bu sayede malzemedeki iç gerilmeler önemli derecede azaltılabilmektedir. Mikro yapısal değişiklikler neticesinde malzemelerde mukavemet, tokluk ve sertlik artmakta, aşınma direnci artmaktadır. Özellikle aşınma direncindeki artışlar %800 oranlarına çıkabilmektedir. Bunların sonucunda malzeme ömrü belirgin bir şekilde yükselmektedir.