馬氏體時效鋼是一種以超低碳馬氏體為基體，通過時效產生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。與傳統(tǒng)的高強度鋼不同，它不是用碳而是靠金屬間化合物的彌散析出來強化，這使其具有一個突出的優(yōu)點：熱處理工藝簡單方便，這是由于馬氏體轉變不受冷卻速度的影響，不會出現(xiàn)像淬火回火鋼中常出現(xiàn)的淬透性問題，熱處理變形小，加工性能及焊接性能都很好。
馬氏體時效鋼的顯著特點是在超高強度下仍具有良好的塑性和優(yōu)異的斷裂韌性，這使它不僅可以取代傳統(tǒng)的高強度鋼，而且在一些重要領域內獲得別的材料難以替代的應用。如可用于制備火箭與導彈的薄殼，在保持滿足應用要求的強度前提下提高有效載荷；它具有非常穩(wěn)定的組織性能，即使在溫度過高而發(fā)生過時效后，軟化過程也非常緩慢。這些合金在相當高的工作溫度下仍保持良好的性能，最高工作溫度超過400℃。這可以保證火箭或彈頭外薄殼在飛行的過程中保持良好的強度。
馬氏體時效鋼的強化工藝是固溶強化、相變強化、時效強化等因素綜合作用的結果。固溶強化使馬氏體時效鋼的強度提高100~250 MPa，貢獻較小。但通過固溶處理可以消除鍛軋的殘余應力和成分偏析，同時溶解沉淀相，為隨后的時效強化打下基礎。相變強化，即組織發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉變時所發(fā)生的硬化，可使強度提高500~600MPa，相變得到的馬氏體組織中具有極高密度的位錯亞結構，是提高強度的主要原因，同時也為隨后的沉淀強化創(chuàng)造了有利條件。時效強化是提高馬氏體時效鋼強度最主要的手段，可使其強度提高約1100 MPa。在熱處理過程中通過Co，Mo，Ti等合金元素從過飽和固溶體(馬氏體)中析出金屬間化合物作為第二相質點來實現(xiàn)強韌化。在時效過程中，在晶界、相界及位錯線等缺陷處析出細小彌散的金屬間化合物。
特別應該指出的是，細晶強化是一種對馬氏體時效鋼既能提高強度又能改善韌性的強化方法。在晶粒細化的方式上，主要有循環(huán)相變細化工藝和形變熱處理工藝。
循環(huán)相變熱處理工藝是將奧氏體轉變產物反復加熱、重結晶、奧氏體化、循環(huán)相變，使奧氏體晶粒充分細化，進而轉變得到細小的板條馬氏體組織，從而提高強度、塑性和韌性。例如，對3J33馬氏體時效鋼進行4次循環(huán)熱處理后，晶粒尺寸由220μm減小到15μm左右，形成細小的馬氏體組織。實驗證明，在相同的時效規(guī)程下，將高溫固溶+時效處理的合金與經過高溫固溶+變溫循環(huán)相變+時效處理的合金進行性能比較，后者的力學特性明顯優(yōu)于前者。
馬氏體形變處理可在固溶和時效處理之間進行，也可在固溶處理之前進行，前者增加了位錯密度，后者能細化奧氏體晶粒。據(jù)報道，對18Ni7Co5Mo0.1Ti進行90％冷軋變形再時效處理可使屈服強度提高約547 MPa，同時保持材料的韌塑性。