析出硬化

析出硬化，也稱為時效硬化或顆粒硬化，是一種熱處理技術，用于提高可鍛材料的屈服強度，包括大多數鋁、鎂、鎳、鈦的結構合金，以及一些鋼和不銹鋼。 在高溫合金中，眾所周知會導致屈服強度異常，從而提供出色的高溫強度。

析出硬化依賴于固溶度隨溫度的變化來產生雜質相的細顆粒，這些顆粒阻礙位錯或晶體晶格中的缺陷的移動。 由于位錯通常是塑性的主要載體，這有助于使材料硬化。 雜質在顆粒增強復合材料中起著與顆粒物質相同的作用。 正如空氣中冰的形成會產生云、雪或冰雹，這取決于大氣中給定部分的熱歷史，固體中的降水會產生許多不同大小的顆粒，這些顆粒具有截然不同的特性。 與普通回火不同，合金必須在高溫下保持數小時才能發生沉淀。 這種時間延遲稱為老化。 固溶處理和時效有時在金屬規范和證書中縮寫為 STA。

涉及沉淀物的兩種不同熱處理可以改變材料的強度：固溶熱處理和沉淀熱處理。 固溶強化涉及通過淬火形成單相固溶體。 沉淀熱處理涉及添加雜質顆粒以增加材料的強度。

該技術利用了過飽和現象，并涉及仔細平衡沉淀的驅動力和可用于理想和不良過程的熱活化能。

成核發生在相對較高的溫度，因此可以更容易地克服表面能的動力學障礙，并且可以形成最大數量的沉淀顆粒。 然后允許這些顆粒在稱為老化的過程中在較低溫度下生長。 這是在低溶解度的條件下進行的，因此熱力學驅動更大的沉淀物形成總量。

擴散對溫度的指數依賴性使得析出強化，像所有熱處理一樣，是一個相當微妙的過程。 擴散太少，顆粒太小，不能有效阻礙位錯； 太多，它們將太大且分散，無法與大多數位錯相互作用。

如果固溶度線強烈地向相圖的中心傾斜，則沉淀強化是可能的。 雖然需要大量沉淀顆粒，但應添加足夠少量的合金元素，以使其在某些合理的退火溫度下仍易于溶解。 盡管通常需要大體積，但也需要小粒徑以避免強度下降，如下所述。

典型的鋁和鈦合金中用于沉淀強化的元素約占其成分的 10%。 雖然二元合金更容易理解為學術練習，但商業合金通常使用三種成分進行沉淀強化， 大量其他成分可能是無意的，但卻是無害的，或者可能是為了細化晶粒或抗腐蝕等其他目的而添加的。 一個例子是在鋁合金中添加 Sc 和 Zr 以形成 [[等球密堆積|FCC]] L12 結構，有助于細化晶粒和強化材料。 在某些情況下，例如許多鋁合金，強度的增加是以犧牲耐腐蝕性為代價的。

由于快速冷卻可以獲得更多的亞穩相，因此最近的技術集中在增材制造上，而傳統鑄造則更多地局限于平衡相。

在不銹鋼中添加耐腐蝕所需的大量鎳和鉻意味著傳統的淬火和回火方法無效。 然而，與硬化和回火相比，鉻、銅或其他元素的沉淀物可以使鋼的強度相似。 可以通過調整退火工藝來調整強度，較低的初始溫度會導致較高的強度。 較低的初始溫度增加了成核的驅動力。 更多的驅動力意味著更多的成核位置，更多的位置意味著在使用成品部件時有更多位錯被破壞的位置。