马氏体时效钢是一种以超低碳马氏体为基体，通过时效产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。与传统的高强度钢不同，它不是用碳而是靠金属间化合物的弥散析出来强化，这使其具有一个突出的优点：热处理工艺简单方便，这是由于马氏体转变不受冷却速度的影响，不会出现像淬火回火钢中常出现的淬透性问题，热处理变形小，加工性能及焊接性能都很好。
马氏体时效钢的显著特点是在超高强度下仍具有良好的塑性和优异的断裂韧性，这使它不仅可以取代传统的高强度钢，而且在一些重要领域内获得别的材料难以替代的应用。如可用于制备火箭与导弹的薄壳，在保持满足应用要求的强度前提下提高有效载荷；它具有非常稳定的组织性能，即使在温度过高而发生过时效后，软化过程也非常缓慢。这些合金在相当高的工作温度下仍保持良好的性能，最高工作温度超过400℃。这可以保证火箭或弹头外薄壳在飞行的过程中保持良好的强度。
马氏体时效钢的强化工艺是固溶强化、相变强化、时效强化等因素综合作用的结果。固溶强化使马氏体时效钢的强度提高100~250 MPa，贡献较小。但通过固溶处理可以消除锻轧的残余应力和成分偏析，同时溶解沉淀相，为随后的时效强化打下基础。相变强化，即组织发生奥氏体向马氏体的转变时所发生的硬化，可使强度提高500~600MPa，相变得到的马氏体组织中具有极高密度的位错亚结构，是提高强度的主要原因，同时也为随后的沉淀强化创造了有利条件。时效强化是提高马氏体时效钢强度最主要的手段，可使其强度提高约1100 MPa。在热处理过程中通过Co，Mo，Ti等合金元素从过饱和固溶体(马氏体)中析出金属间化合物作为第二相质点来实现强韧化。在时效过程中，在晶界、相界及位错线等缺陷处析出细小弥散的金属间化合物。
特别应该指出的是，细晶强化是一种对马氏体时效钢既能提高强度又能改善韧性的强化方法。在晶粒细化的方式上，主要有循环相变细化工艺和形变热处理工艺。
循环相变热处理工艺是将奥氏体转变产物反复加热、重结晶、奥氏体化、循环相变，使奥氏体晶粒充分细化，进而转变得到细小的板条马氏体组织，从而提高强度、塑性和韧性。例如，对3J33马氏体时效钢进行4次循环热处理后，晶粒尺寸由220μm减小到15μm左右，形成细小的马氏体组织。实验证明，在相同的时效规程下，将高温固溶+时效处理的合金与经过高温固溶+变温循环相变+时效处理的合金进行性能比较，后者的力学特性明显优于前者。
马氏体形变处理可在固溶和时效处理之间进行，也可在固溶处理之前进行，前者增加了位错密度，后者能细化奥氏体晶粒。据报道，对18Ni7Co5Mo0.1Ti进行90％冷轧变形再时效处理可使屈服强度提高约547 MPa，同时保持材料的韧塑性。