التصلب بالترسيب

التصليد بالترسيب ، ويُسمى أيضاً التصليد بالتقادم أو التصليد بالجسيمات ، هو أسلوب معالجة حرارية يُستخدم لزيادة مقاومة الخضوع للمواد القابلة للطرق ، بما في ذلك معظم السبائك الإنشائية من الألومنيوم والمغنيسيوم والنيكل والتيتانيوم ، وبعض أنواع الفولاذ ، والفولاذ المقاوم للصدأ ، والفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج . في السبائك الفائقة ، يُعرف هذا الأسلوب بقدرته على إحداث شذوذ في مقاومة الخضوع ، مما يُكسبها قوة ممتازة عند درجات الحرارة العالية.

تعتمد عملية التصليد بالترسيب على تغيرات ذوبانية المواد الصلبة مع درجة الحرارة لإنتاج جزيئات دقيقة من طور الشوائب ، والتي تعيق حركة الانخلاعات ، أو العيوب في الشبكة البلورية . وبما أن الانخلاعات غالبًا ما تكون الحامل الرئيسي لللدونة ، فإن ذلك يُسهم في تصليد المادة. وتؤدي الشوائب الدور نفسه الذي تؤديه المواد الجزيئية في المواد المركبة المدعمة بالجسيمات. وكما أن تكوّن الجليد في الهواء يُمكن أن يُنتج السحب أو الثلج أو البَرَد، اعتمادًا على التاريخ الحراري لجزء معين من الغلاف الجوي، فإن الترسيب في المواد الصلبة يُمكن أن يُنتج جزيئات بأحجام مختلفة، ذات خصائص متباينة جذريًا. وعلى عكس التلدين العادي، يجب حفظ السبائك عند درجة حرارة مرتفعة لساعات للسماح بحدوث الترسيب. ويُطلق على هذا التأخير الزمني اسم "التقادم". ويُشار أحيانًا إلى معالجة المحلول والتقادم بالاختصار "STA" في مواصفات وشهادات المعادن.

يمكن لنوعين مختلفين من المعالجة الحرارية التي تتضمن رواسب أن تُغير من قوة المادة: المعالجة الحرارية بالمحلول والمعالجة الحرارية بالترسيب. تتضمن تقوية المحلول الصلب تكوين محلول صلب أحادي الطور عن طريق التبريد السريع. أما المعالجة الحرارية بالترسيب فتتضمن إضافة جزيئات شوائب لزيادة قوة المادة. ^{[ 1 ]}

تستغل هذه التقنية ظاهرة التشبع الفائق ، وتتضمن موازنة دقيقة بين القوة الدافعة للترسيب وطاقة التنشيط الحراري المتاحة لكل من العمليات المرغوبة وغير المرغوبة. وتُعد نظرية التكوين النووي الكلاسيكية (CNT) النظرية الأكثر قبولاً لتفسير الترسيب .

تحدث عملية التبلور عند درجة حرارة عالية نسبيًا (غالبًا ما تكون أقل بقليل من حد الذوبان) بحيث يمكن التغلب بسهولة أكبر على حاجز الطاقة الحركية للسطح ، مما يسمح بتكوين أكبر عدد ممكن من جزيئات الراسب. بعد ذلك، تُترك هذه الجزيئات لتنمو عند درجة حرارة منخفضة في عملية تُسمى التقادم . تتم هذه العملية في ظل ظروف ذوبانية منخفضة ، بحيث تدفع الديناميكا الحرارية إلى تكوين حجم إجمالي أكبر من الراسب.

إن اعتماد الانتشار بشكل أُسّي على درجة الحرارة يجعل عملية تقوية الترسيب، كغيرها من المعالجات الحرارية، عملية دقيقة للغاية. فإذا كان الانتشار ضئيلاً جدًا ( تقادم غير كافٍ )، ستكون الجسيمات صغيرة جدًا بحيث لا تستطيع إعاقة الانخلاعات بفعالية؛ وإذا كان الانتشار مفرطًا ( تقادم مفرط )، ستكون الجسيمات كبيرة جدًا ومتفرقة بحيث لا تستطيع التفاعل مع غالبية الانخلاعات.

يُمكن تحقيق تقوية الترسيب إذا كان منحنى ذوبانية المادة الصلبة يميل بشدة نحو مركز مخطط الطور . وبينما يُفضّل وجود حجم كبير من جزيئات الراسب، ينبغي إضافة كمية صغيرة كافية من عنصر السبائك بحيث يبقى قابلاً للذوبان بسهولة عند درجة حرارة تلدين مناسبة . وعلى الرغم من أن الأحجام الكبيرة مطلوبة في كثير من الأحيان، إلا أنه يُفضّل أن تكون بأحجام جزيئات صغيرة لتجنب انخفاض القوة كما هو موضح أدناه.

تُشكّل العناصر المستخدمة في تقوية الترسيب في سبائك الألومنيوم والتيتانيوم النموذجية حوالي 10% من تركيبها. وبينما يسهل فهم السبائك الثنائية كدراسة نظرية، غالبًا ما تستخدم السبائك التجارية ثلاثة عناصر لتقوية الترسيب، في تركيبات مثل Al(Mg, Cu ) وTi(Al, V ). قد يكون عدد كبير من المكونات الأخرى غير مقصود، ولكنه غير ضار، أو قد يُضاف لأغراض أخرى مثل تحسين بنية الحبيبات أو مقاومة التآكل . ومن الأمثلة على ذلك إضافة السكانديوم والزركونيوم إلى سبائك الألومنيوم لتكوين هياكل FCC L1 ₂ التي تُساعد على تحسين بنية الحبيبات وتقوية المادة. ^{[ 2 ]} في بعض الحالات، كما هو الحال في العديد من سبائك الألومنيوم، يتم تحقيق زيادة في القوة على حساب مقاومة التآكل. وتركز التقنيات الحديثة على التصنيع الإضافي نظرًا لإمكانية الحصول على كمية أكبر من الأطوار شبه المستقرة بفضل التبريد السريع، في حين أن الصب التقليدي يقتصر على الأطوار المتوازنة. ^{[ 3 ]}

إن إضافة كميات كبيرة من النيكل والكروم، اللازمة لمقاومة التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ، تجعل طرق التصليد والتطبيع التقليدية غير فعالة. مع ذلك، يمكن لترسبات الكروم أو النحاس أو عناصر أخرى أن تُقوّي الفولاذ بنسب مماثلة لتلك التي تُقوّيها طرق التصليد والتطبيع. ويمكن تعديل قوة الفولاذ بضبط عملية التلدين، حيث تؤدي درجات الحرارة الأولية المنخفضة إلى قوة أعلى. كما أن انخفاض درجات الحرارة الأولية يزيد من قوة التبلور، مما يعني زيادة مواقع التبلور، وبالتالي زيادة فرص تفكك الانخلاعات أثناء استخدام القطعة النهائية.

تتيح العديد من أنظمة السبائك إمكانية ضبط درجة حرارة التقادم. على سبيل المثال، تُحفظ بعض سبائك الألومنيوم المستخدمة في صناعة المسامير المستخدمة في بناء الطائرات في الثلج الجاف بدءًا من معالجتها الحرارية الأولية وحتى تركيبها في الهيكل. بعد تشكيل هذا النوع من المسامير إلى شكله النهائي، يحدث التقادم في درجة حرارة الغرفة، مما يزيد من قوته ويعزز تماسك الهيكل. قد تؤدي درجات حرارة التقادم المرتفعة إلى تقادم أجزاء أخرى من الهيكل بشكل مفرط، وتتطلب معالجة حرارية مكلفة بعد التجميع، لأن ارتفاع درجة حرارة التقادم يُسرّع نمو الرواسب بشكل كبير.

توجد عدة طرق يمكن من خلالها تقوية المادة الأساسية بواسطة الرواسب، والتي قد تختلف أيضًا بالنسبة للرواسب المشوهة والرواسب غير المشوهة. ^{[ 4 ]}

الجسيمات المشوهة (الرواسب الضعيفة):

يحدث التصلب التماسك عندما يكون السطح الفاصل بين الجسيمات والمادة الأساسية متماسكًا، ويعتمد ذلك على عوامل مثل حجم الجسيمات وطريقة إدخالها. التماسك هو عندما تكون شبكة الراسب وشبكة المادة الأساسية متصلة عبر السطح الفاصل. ^{[ 5 ]} عادةً ما يكون للجسيمات الصغيرة المترسبة من المحلول الصلب فوق المشبع أسطح فاصلة متماسكة مع المادة الأساسية. ينشأ التصلب التماسك من اختلاف الحجم الذري بين الراسب والمادة الأساسية، مما يؤدي إلى إجهاد تماسك. إذا كان الحجم الذري للراسب أصغر، فسيكون هناك شد لأن ذرات الشبكة البلورية ستكون أقرب إلى بعضها من وضعها الطبيعي، بينما عندما يكون الحجم الذري للراسب أكبر، فسيكون هناك انضغاط لذرات الشبكة البلورية لأنها ستكون أبعد عن بعضها من وضعها الطبيعي. بغض النظر عما إذا كانت الشبكة البلورية تحت ضغط أو شد، فإن مجال الإجهاد الناتج يتفاعل مع الانخلاعات، مما يؤدي إلى تقليل حركتها إما عن طريق التنافر أو التجاذب، وبالتالي زيادة مقاومة الخضوع، على غرار تأثير الحجم في تقوية المحلول الصلب. ما يميز هذه الآلية عن تقوية المحلول الصلب هو أن الراسب له حجم محدد، وليس ذرة، وبالتالي يكون تفاعله مع الانخلاعات أقوى.

ينتج تصلب معامل المرونة عن اختلاف معامل القص بين الراسب والمادة الأساسية، مما يؤدي إلى تغير في طاقة توتر خط الانخلاع عند قطعه للراسب. كما قد ينحني خط الانخلاع عند دخوله الراسب، مما يزيد من طوله المتأثر. وينشأ هذا التقوية بطريقة مشابهة لتقوية المحلول الصلب، حيث يوجد عدم تطابق في الشبكة البلورية يتفاعل مع الانخلاعات، مما يعيق حركتها. وبالطبع، تختلف شدة هذا التفاعل عن شدة التفاعل في تقوية المحلول الصلب وتقوية التماسك.

يرتبط التقوية الكيميائية بطاقة سطحية للسطح البيني الجديد بين الراسب والمادة الأساسية عند تعرض الجسيم للقص بفعل الانخلاعات. ولأن تكوين السطح يتطلب طاقة، فإن جزءًا من الإجهاد المسبب لحركة الانخلاعات يُمتص بواسطة الأسطح الإضافية. ومثل تقوية معامل المرونة، قد يكون تحليل مساحة السطح البيني معقدًا بسبب تشوه خطوط الانخلاعات.

يحدث تقوية الترتيب عندما يكون الراسب ذا بنية منتظمة بحيث تختلف طاقة الرابطة قبل القص وبعده. على سبيل المثال، في بلورة مكعبة منتظمة ذات تركيب AB، تكون طاقة الرابطة بين AA وBB بعد القص أعلى من طاقة الرابطة AB قبل القص. وتُعرف الزيادة المصاحبة في الطاقة لكل وحدة مساحة بطاقة حدود الطور المضاد، وتتراكم تدريجيًا مع مرور الخلع عبر الجسيم. مع ذلك، يمكن لخلع ثانٍ إزالة نطاق الطور المضاد الذي خلفه الخلع الأول عند مروره عبر الجسيم. يحافظ تجاذب الجسيم وتنافر الخلع الأول على مسافة متوازنة بين الخلعين، مما يجعل تقوية الترتيب أكثر تعقيدًا. باستثناء الجسيمات الدقيقة جدًا، لا تكون هذه الآلية فعالة كغيرها في التقوية. يمكن النظر إلى هذه الآلية أيضًا على أنها عندما يقص خلع جسيمًا، ينكسر تسلسل التراص بين السطح الجديد المتكون والمصفوفة، وتصبح الرابطة غير مستقرة. لإعادة التسلسل إلى هذا السطح البيني، يلزم وجود خلع آخر لإزاحة التراص. يُطلق على الانخلاع الأول والثاني غالبًا اسم الانخلاع الفائق. ولأن الانخلاعات الفائقة ضرورية لقص هذه الجسيمات، يحدث تقوية نتيجة لانخفاض حركة الانخلاعات.

الجسيمات غير القابلة للتشوه (راسب قوي):

في الجسيمات غير القابلة للتشوه، حيث تكون المسافة بينها صغيرة بما يكفي أو يكون سطح التماس بين الراسب والمادة الأساسية غير منتظم، تنحني الانخلاعات بدلًا من أن تنقطع. يرتبط التقوية بالمسافة الفعالة بين الجسيمات مع الأخذ في الاعتبار حجم الجسيم المحدود، وليس بقوة الجسيم، لأنه بمجرد أن يصبح الجسيم قويًا بما يكفي لانحناء الانخلاعات بدلًا من قطعها، فإن زيادة مقاومة اختراق الانخلاعات لن تؤثر على التقوية. وبالتالي، فإن الآلية الرئيسية هي تقوية أوروان، حيث لا تسمح الجسيمات القوية للانخلاعات بالمرور. لذلك، يجب أن يحدث الانحناء، وفي هذه الحالة يمكن أن يتسبب الانحناء في تراكم حلقات الانخلاعات، مما يقلل المساحة المتاحة لانحناء انخلاعات إضافية بينها. إذا لم تتمكن الانخلاعات من قطع الجسيمات ولم تتمكن من المرور من خلالها، فإن حركة الانخلاعات تُعاق بنجاح.

تُعدّ جسيمات الطور الثاني النوع الرئيسي لتقوية الترسيب. تعيق هذه الجسيمات حركة الانخلاعات في جميع أنحاء الشبكة البلورية. يُمكن تحديد ما إذا كانت جسيمات الطور الثاني ستترسب في المحلول أم لا من خلال خط الصلابة على مخطط الطور الخاص بها. فيزيائيًا، يُعزى هذا التأثير المقوي إلى كلٍّ من تأثيرات الحجم ومعامل المرونة ، وإلى طاقة السطح أو الطاقة البينية . ^{[ 4 ] [ 6 ]}

غالبًا ما يؤدي وجود جسيمات الطور الثاني إلى تشوهات في الشبكة البلورية. وتنتج هذه التشوهات عندما تختلف جسيمات الراسب في الحجم والبنية البلورية عن ذرات المادة الأصلية. تؤدي جسيمات الراسب الأصغر حجمًا في شبكة المادة الأصلية إلى إجهاد شد، بينما تؤدي جسيمات الراسب الأكبر حجمًا إلى إجهاد ضغط. كما تُنشئ عيوب الانخلاع مجال إجهاد. يوجد إجهاد ضغط فوق الانخلاع، وإجهاد شد أسفله. ونتيجة لذلك، توجد طاقة تفاعل سالبة بين الانخلاع والراسب، حيث يُسبب كل منهما إجهاد ضغط وإجهاد شد على التوالي، أو العكس. بعبارة أخرى، ينجذب الانخلاع إلى الراسب. بالإضافة إلى ذلك، توجد طاقة تفاعل موجبة بين الانخلاع والراسب اللذين لهما نفس نوع مجال الإجهاد. وهذا يعني أن الانخلاع يتنافر مع الراسب.

تساهم جزيئات الترسيب أيضًا في تغيير صلابة المادة موضعيًا. إذ تتنافر الانخلاعات مع المناطق ذات الصلابة الأعلى. وعلى العكس، إذا تسبب الترسيب في زيادة مرونة المادة موضعيًا، فإن الانخلاع سينجذب إلى تلك المنطقة. إضافةً إلى ذلك، توجد ثلاثة أنواع من حدود الأطوار البينية.

النوع الأول هو حدود بين طبقتين متماسكة أو منتظمة، حيث تتطابق الذرات واحدة تلو الأخرى على طول الحدود. ونظرًا لاختلاف معلمات الشبكة البلورية بين الطورين، ترتبط طاقة إجهاد التماسك بهذا النوع من الحدود. أما النوع الثاني فهو حدود بين طبقتين غير منتظمة تمامًا، ولا توجد فيها إجهادات تماسك، ولكن الجسيم يميل إلى عدم التشوه بفعل الانخلاعات. أما النوع الأخير فهو حدود بين طبقتين منتظمة جزئيًا، لذا يتم تخفيف إجهادات التماسك جزئيًا عن طريق الإدخال الدوري للانخلاعات على طول الحدود.

في الرواسب المتماسكة في المصفوفة، إذا كان للراسب معلمة شبكية أقل من معلمة المصفوفة، فإن التطابق الذري عبر حدود التداخل بين الأطوار يؤدي إلى مجال إجهاد داخلي يتفاعل مع الانخلاعات المتحركة.

هناك مساران للتشوه، أحدهما هو تصلب التماسك ، والآخر هو عدم تطابق الشبكة.

${\displaystyle \varepsilon _{coh}={\frac {a_{p}-a_{m}}{a_{m}}}}$

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\varepsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

أين${\displaystyle G}$هو معامل القص،${\displaystyle \varepsilon _{coh}}$هو عدم تطابق الشبكة المتماسكة،${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر الجسيم،${\displaystyle f}$يمثل نسبة حجم الجسيمات،${\displaystyle b}$هل البرغر هو متجه؟ ${\displaystyle rf/b}$يساوي التركيز.

أما الآخر فهو تصلب معامل المرونة . طاقة الانخلاع هي${\displaystyle U_{m}=G_{m}b^{2}/2}$عندما يخترق الراسب، تكون طاقته${\displaystyle U_{p}=G_{p}b^{2}/2}$، التغير في طاقة القطعة المستقيمة هو

${\displaystyle \bigtriangleup {U}=\left(U_{p}-U_{m}\right)2r=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}r}$.

أقصى طول للانخلاع المتأثر هو قطر الجسيم، ويحدث تغير توتر الخط تدريجيًا على مسافة تساوي${\displaystyle r}$قوة التفاعل بين الخلع والراسب هي

${\displaystyle F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}}$و${\displaystyle \tau ={\frac {F}{bL}}}$.

علاوة على ذلك، قد يخترق الانخلاع جسيمًا راسبًا، مُحدثًا مساحة سطحية أكبر بين الراسب والمادة الأساسية، مما يُعزز التركيب الكيميائي . عند دخول الانخلاع إلى الجسيم وتواجده داخله، ينزلق الجزء العلوي من الجسيم بزاوية b بالنسبة للجزء السفلي، مُصاحبًا دخول الانخلاع. وتحدث عملية مماثلة عند خروج الانخلاع من الجسيم. ويصاحب اكتمال هذه العملية تكوين مساحة سطحية بين المادة الأساسية والراسب تُقارب حجمًا معينًا.${\displaystyle A=2\pi rb\,\!}$حيث r هو نصف قطر الجسيم و b هو مقدار متجه برجر. والزيادة الناتجة في طاقة السطح هي${\displaystyle E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!}$، أين${\displaystyle \gamma _{s}}$هي طاقة السطح. أقصى قوة بين الخلع والجسيم هي${\displaystyle F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!}$، ينبغي أن يكون إجهاد التدفق المقابل${\displaystyle \Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL}$.

عندما يتعرض جسيم للقص بفعل انخلاع، يلزم وجود إجهاد قص عتبي لتشويه الجسيم. ويُعطى التعبير عن إجهاد القص المطلوب كما يلي:

${\displaystyle \tau =cG\varepsilon ^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

عندما يكون حجم الراسب صغيرًا، يكون إجهاد القص المطلوب${\displaystyle \tau }$يتناسب مع حجم الراسب${\displaystyle r^{1/2}}$مع ذلك، بالنسبة لنسبة حجم جسيمات ثابتة، قد ينخفض ​​هذا الإجهاد عند قيم أكبر لـ r نتيجةً لزيادة تباعد الجسيمات. ويرتفع المستوى العام للمنحنى بزيادة كلٍّ من قوة الجسيمات الذاتية ونسبة حجم الجسيمات.

يمكن أن ينحني الانخلاع أيضًا حول جسيم مترسب من خلال ما يسمى بآلية أوروان.

بما أن الجسيم غير قابل للتشوه، فإن الانخلاع ينحني حول الجسيمات (${\displaystyle \phi _{c}=0}$)، يتناسب الإجهاد المطلوب لإحداث التجاوز عكسياً مع المسافة بين الجسيمات.${\displaystyle (L-2r)}$، إنه،${\displaystyle \tau _{b}=Gb/(L-2r)}$، أين${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر الجسيم. تحيط حلقات الانخلاع بالجسيمات بعد عملية التجاوز، وسيتعين إخراج انخلاع لاحق بين هذه الحلقات. وبالتالي، تنخفض المسافة الفعالة بين الجسيمات للانخلاع الثاني إلى${\displaystyle (L-2r')}$مع${\displaystyle r'>r}$وينبغي أن يكون الإجهاد المتجاوز لهذا الخلع${\displaystyle \tau _{b}'=Gb/(L-2r')}$وهو أكبر من الأول. ومع ذلك، مع ازدياد نصف قطر الجسيم، ${\displaystyle L}$سيزداد للحفاظ على نفس نسبة حجم الرواسب،${\displaystyle (L-2r)}$سيزداد و${\displaystyle \tau _{b}}$سينخفض ​​حجم الرواسب. ونتيجة لذلك، ستصبح المادة أضعف مع ازدياد حجم الرواسب.

بالنسبة لنسبة حجم الجسيمات الثابتة،${\displaystyle \tau _{b}}$يتناقص مع زيادة قيمة r حيث يصاحب ذلك زيادة في تباعد الجسيمات.

من ناحية أخرى، زيادة${\displaystyle f}$يؤدي تقارب الجسيمات إلى زيادة مستوى الإجهاد.${\displaystyle \tau _{b}}$لا تتأثر بقوة الجسيمات. أي أنه بمجرد أن يصبح الجسيم قويًا بما يكفي لمقاومة القطع، فإن أي زيادة أخرى في مقاومته لاختراق الخلع ليس لها أي تأثير على${\displaystyle \tau _{b}}$، وهو ما يعتمد فقط على خصائص المصفوفة والتباعد الفعال بين الجسيمات.

إذا كانت جزيئات A ذات كسر حجمي${\displaystyle f_{1}}$يتم تشتيتها في مادة أساسية، وتتعرض الجسيمات للقص من أجل${\displaystyle r<r_{c1}}$ويتم تجاوزها من أجل${\displaystyle r>r_{c1}}$يتم الحصول على أقصى قوة عند${\displaystyle r=r_{c1}}$حيث تتساوى إجهادات القطع والانحناء. إذا وُجدت جزيئات من المادة B ذات صلابة فطرية وبنفس نسبة الحجم، فإن مستوى${\displaystyle \tau _{c}}$يزداد المنحنى، ولكن منحنى${\displaystyle \tau _{b}}$أحدهما ليس كذلك. يُلاحظ أقصى تصلب، وهو أكبر من ذلك الخاص بجزيئات A، عند${\displaystyle r_{c2}<r_{c1}}$زيادة نسبة حجم المادة A ترفع مستوى كليهما${\displaystyle \tau _{b}}$و${\displaystyle \tau _{c}}$ويزيد من أقصى قوة يتم الحصول عليها. وتوجد هذه الأخيرة عند${\displaystyle r_{c3}}$والتي قد تكون إما أقل من أو أكبر من${\displaystyle r_{c1}}$وذلك بحسب شكل${\displaystyle \tau -r}$منحنى.

توجد معادلتان رئيسيتان لوصف آليتي تصلب الترسيب بناءً على الترسيبات الضعيفة والقويّة. يمكن قصّ الترسيبات الضعيفة بواسطة الانخلاعات، بينما لا يمكن قصّ الترسيبات القوية، وبالتالي يجب أن ينحني الانخلاع. أولًا، من المهم مراعاة الفرق بين هاتين الآليتين من حيث توتر خط الانخلاع الناتج عنهما. ^{[ 7 ]} معادلة توازن توتر الخط هي:

${\displaystyle \tau \cong {\frac {Gb}{L'}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

أين${\displaystyle \phi _{c}}$يمثل نصف قطر الانخلاع عند إجهاد معين. العوائق القوية لها نصف قطر صغير${\displaystyle \phi _{c}}$بسبب انحناء الخلع. ومع ذلك، فإن تقليل قوة العائق سيزيد من${\displaystyle \phi _{c}}$ويجب تضمينها في الحساب. كما أن L' تساوي المسافة الفعالة بين العوائق L. وهذا يترك معادلة للعوائق القوية:

${\displaystyle \tau _{strong}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

بالنظر إلى الجسيمات الضعيفة،${\displaystyle \phi _{c}}$ينبغي أن يكون ذلك قريباً${\displaystyle 180^{\circ }}$وذلك لأن خط الإزاحة يبقى مستقيماً نسبياً عبر العوائق. أيضاً، ستكون قيمة L' كالتالي:

${\displaystyle L'_{weak}={\frac {L}{cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}}}$

والتي تنص على معادلة الجسيم الضعيف:

${\displaystyle \tau _{weak}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

والآن، لننظر في آليات كل نظام:

الانخلاع الذي يقطع الجزيئات: بالنسبة لمعظم عمليات التقوية في المرحلة المبكرة، يزداد مع${\displaystyle \epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}}$، أين${\displaystyle \epsilon }$هو معامل عدم تطابق بلا أبعاد (على سبيل المثال في تقوية التماسك،${\displaystyle \epsilon }$(وهو التغير النسبي في معلمة شبكة الراسب والمصفوفة).${\displaystyle f}$يمثل الكسر الحجمي للراسب،${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر الراسب، و${\displaystyle b}$يمثل مقدار متجه برجر . ووفقًا لهذه العلاقة، تزداد قوة المواد مع زيادة عدم التطابق، والكسر الحجمي، وحجم الجسيمات، بحيث يسهل على الانخلاع اختراق الجسيمات ذات نصف القطر الأصغر.

بالنسبة لأنواع مختلفة من التصلب من خلال القطع، تكون المعادلات الحاكمة كما يلي.

لتحسين التماسك،

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$،

${\displaystyle \epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}}$،

أين ${\displaystyle \tau }$زيادة إجهاد القص، ${\displaystyle G}$يمثل معامل القص للمادة الأساسية، ${\displaystyle a_{p}}$و${\displaystyle a_{m}}$هي معلمات الشبكة للراسب أو المادة الأساسية.

لزيادة معامل المرونة،

${\displaystyle \tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$،

${\displaystyle \epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}}$،

أين${\displaystyle G_{p}}$و${\displaystyle G_{m}}$هي معامل القص للراسب أو المادة الأساسية.

للتقوية الكيميائية،

${\displaystyle \tau _{chem}=2G\epsilon _{ch}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$،

${\displaystyle \epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr}$،

أين ${\displaystyle \gamma _{s}}$هي طاقة السطح البيني بين الجسيمات والمصفوفة.

لتعزيز النظام،

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\epsilon _{ord}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$

(قليل${\displaystyle \epsilon _{ord}}$، مرحلة الترسيب المبكرة)، حيث تكون الانخلاعات متباعدة على نطاق واسع؛

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\left(\epsilon _{ord}^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}-0.7\epsilon _{ord}f\right)}$

(عالي${\displaystyle \epsilon _{ord}}$، مرحلة الترسيب المبكرة)، حيث لا تكون الانخلاعات متباعدة على نطاق واسع؛ ${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}}$، أين${\displaystyle APBE_{s}}$هي طاقة حدود الطور المعاكس.

انحناء الانخلاعات حول الجسيمات: عندما تكون المادة المترسبة قوية بما يكفي لمقاومة اختراق الانخلاعات، تنحني الانخلاعات، ويُعطى أقصى إجهاد بمعادلة أوروان. ويُرجح حدوث انحناء الانخلاعات، والذي يُسمى أيضًا تقوية أوروان، ^{[ 8 ] عندما تكون كثافة الجسيمات في المادة منخفضة.}

${\displaystyle \tau ={\frac {Gb}{L-2r}}\,\!}$

أين${\displaystyle \tau }$قوة المادة،${\displaystyle G}$هو معامل القص،${\displaystyle b}$يمثل مقدار متجه برجر،${\displaystyle L}$هي المسافة بين نقاط التثبيت، و${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر جسيم الطور الثاني. توضح هذه المعادلة الحاكمة أن قوة انحناء الخلع تتناسب عكسيًا مع نصف قطر جسيم الطور الثاني.${\displaystyle r}$لأنه عندما تكون نسبة حجم الراسب ثابتة، فإن التباعد${\displaystyle L}$تزداد المسافة بين الجسيمات بالتزامن مع نصف قطر الجسيم${\displaystyle r}$، لذلك${\displaystyle L-2r}$يزداد مع${\displaystyle r}$.

تُظهر هذه المعادلات الحاكمة أن آلية تصلب الترسيب تعتمد على حجم جزيئات الراسب. عند الأحجام الصغيرة${\displaystyle r}$سيسود خفض التكاليف، بينما على نطاق أوسع${\displaystyle r}$سيسود الانحناء.

بالنظر إلى رسم المعادلتين، يتضح وجود نصف قطر حرج يحدث عنده أقصى تقوية. ويتراوح هذا النصف القطر الحرج عادةً بين 5 و30  نانومترًا.

يتجاهل نموذج تقوية أوروان المذكور أعلاه التغيرات التي تطرأ على الانخلاعات نتيجة الانحناء. إذا أُخذ التقوس في الاعتبار، وبافتراض حالة عدم الاستقرار في آلية فرانك-ريد، فيمكن وصف الإجهاد الحرج لانحناء الانخلاعات بين أجزاء التثبيت على النحو التالي: ^{[ 9 ]}

${\displaystyle \tau _{c}=A(\theta ){\frac {Gb}{2\pi L^{'}}}ln\left({\frac {L^{'}}{r}}\right)}$

أين${\displaystyle A}$هي وظيفة من${\displaystyle \theta }$،${\displaystyle \theta }$هي الزاوية بين خط الانخلاع ومتجه برجر،${\displaystyle L^{'}}$يُعدّ فصل الجسيمات الفعال،${\displaystyle b}$هو متجه برجر، و${\displaystyle r}$يمثل نصف قطر الجسيم.

التحكم في حجم الحبوب

يمكن أن تعمل الرواسب في المواد متعددة البلورات كمُحسِّنات لحجم الحبيبات إذا تشكلت أو تواجدت بالقرب من حدودها، حيث تُثبِّت هذه الرواسب حدود الحبيبات أثناء تصلب السبيكة، مما يمنع تكوّن بنية مجهرية خشنة. وهذا مفيد، إذ غالبًا ما تتفوق البنى المجهرية الدقيقة على البنى الخشنة من حيث الخواص الميكانيكية عند درجات حرارة الغرفة. وفي الآونة الأخيرة، تُجرى دراسات على الرواسب النانوية في ظروف الزحف. ويمكن لهذه الرواسب أيضًا تثبيت حدود الحبيبات عند درجات حرارة أعلى، حيث تعمل أساسًا كقوة احتكاك. ومن التأثيرات المفيدة الأخرى إعاقة انزلاق حدود الحبيبات في ظروف الزحف الانتشارية باستخدام رواسب دقيقة جدًا، وإذا كانت هذه الرواسب موزعة بشكل متجانس في المادة الأساسية، فقد تتفاعل هذه الرواسب نفسها في الحبيبات مع الانخلاعات في ظروف زحف الانخلاعات. ^{[ 10 ]}

الرواسب الثانوية

قد تتشكل رواسب مختلفة، تبعًا لتركيبها العنصري، في ظل ظروف تقادم معينة لم تكن موجودة سابقًا. وقد تنشأ رواسب ثانوية نتيجة إزالة المواد المذابة من المحلول الصلب للمادة الأساسية. ويمكن استغلال التحكم في هذه العملية للتحكم في البنية المجهرية والتأثير على الخصائص. ^{[ 11 ]}

رغم الجهود الكبيرة المبذولة لتطوير سبائك جديدة، إلا أن تطبيق النتائج التجريبية يتطلب وقتًا وجهدًا ومالًا. ومن البدائل الممكنة إجراء محاكاة باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية ، التي تستفيد، في سياق التصليد بالترسيب، من البنية البلورية للرواسب والمصفوفة، وتتيح استكشاف بدائل أكثر بكثير مما هو ممكن في التجارب التقليدية.

تتمثل إحدى استراتيجيات إجراء هذه المحاكاة في التركيز على البنى المنتظمة الموجودة في العديد من السبائك المعدنية، مثل بنى التراص المنتظم طويل المدى (LPSO) التي لوحظت في العديد من الأنظمة. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} تتميز بنية LPSO بتكوين طبقي متراص طويل على طول محور واحد، مع وجود طبقات غنية بالعناصر المترسبة. يتيح ذلك استغلال تناظر الخلايا الفائقة، ويتوافق جيدًا مع طرق نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) المتاحة حاليًا. ^{[ 15 ]}

بهذه الطريقة، طوّر بعض الباحثين استراتيجيات لفحص الرواسب المقوية المحتملة التي تسمح بتقليل وزن بعض سبائك المعادن. ^{[ 16 ]} على سبيل المثال، حظيت سبائك المغنيسيوم باهتمام متزايد لاستبدال الألومنيوم والصلب في صناعة السيارات نظرًا لكونها من المعادن الإنشائية الأخف وزنًا. مع ذلك، تُظهر سبائك المغنيسيوم مشاكل تتعلق بانخفاض القوة والمتانة، مما حدّ من استخدامها. وللتغلب على ذلك، استُخدمت تقنية التصليد بالترسيب، من خلال إضافة عناصر أرضية نادرة، لتحسين قوة السبيكة ومتانتها. على وجه التحديد، وُجدت هياكل LPSO المسؤولة عن هذه الزيادات، مما أدى إلى إنتاج سبيكة مغنيسيوم أظهرت قوة خضوع عالية: 610 ميجا باسكال عند استطالة 5% في درجة حرارة الغرفة. ^{[ 17 ]}

بهذه الطريقة، طور بعض الباحثين استراتيجيات للبحث عن بدائل أرخص من العناصر النادرة . تمت محاكاة نظام ثلاثي يتكون من المغنيسيوم والرينيوم والزنك، حيث يمثل الرينيوم والزنك ذرات أكبر وأصغر من المغنيسيوم على التوالي. في هذه الدراسة، تم تأكيد وجود أكثر من 85 بنية LPSO من نوع Mg-Re-Xs، مما يُظهر قدرة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) على التنبؤ بالبنى الثلاثية المعروفة من نوع LPSO. ثم قاموا بدراسة 11 عنصرًا من الرينيوم والزنك غير النادرة، ووجدوا أن 4 منها مستقرة ديناميكيًا حراريًا. أحد هذه العناصر هو نظام المغنيسيوم-الكالسيوم-الزنك الذي يُتوقع أن يُشكل بنية LPSO. ^{[ 18 ]}

استنادًا إلى تنبؤات نظرية الكثافة الوظيفية السابقة، أجرى باحثون آخرون تجارب على نظام Mg-Zn-Y-Mn-Ca ووجدوا أنه عند إضافة 0.34% من الكالسيوم، تحسنت الخواص الميكانيكية للنظام نتيجة لتكوين هياكل LPSO، مما حقق "توازنًا جيدًا بين القوة والمتانة". ^{[ 19 ]}

• سبائك الألومنيوم من سلسلة 2000 (أمثلة مهمة: 2024 و2019، وكذلك سبيكة Y والهيدرومينيوم )
• سبائك الألومنيوم من سلسلة 6000 (مثال مهم: 6061 لإطارات الدراجات والهياكل الجوية)
• سبائك الألومنيوم من سلسلة 7000 (أمثلة مهمة: 7075 و 7475 )
• 17-4 الفولاذ المقاوم للصدأ ( UNS S17400 )
• فولاذ الماراجينج
• إنكونيل 718
• سبيكة X-750
• رينيه 41
• واسبالوي
• التوت (سبيكة اليورانيوم)
• فولاذ منخفض الكربون NAK55

• ألفريد ويلم
• قوة المواد
• آليات تقوية المواد
• علم المعادن
• سبيكة فائقة
• هشاشة عند درجة حرارة 475 درجة مئوية

• دليل ASM للمعادن، المجلد 4: المعالجة الحرارية

• مشروع ألوماتر