析出硬化

析出硬化は、時効硬化または粒子硬化とも呼ばれ、アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、チタンのほとんどの構造用合金、および一部の鋼、ステンレス鋼、および二相ステンレス鋼を含む可鍛性材料の降伏強度を高めるために使用される熱処理技術です。超合金では、降伏強度の異常を引き起こし、優れた高温強度を提供する ことが知られています。

析出硬化は、温度による固体溶解度の変化を利用して不純物相の微粒子を生成し、これが転位、つまり結晶格子の欠陥の動きを妨げます。転位は可塑性の主な担い手であることが多いため、これが材料を硬化させる役割を果たします。不純物は、粒子強化複合材料の粒子物質と同じ役割を果たします。空気中の氷の形成によって、大気の特定の部分の熱履歴に応じて雲、雪、または雹が発生するのと同じように、固体中の析出によって、根本的に異なる特性を持つさまざまなサイズの粒子が発生する可能性があります。通常の焼き戻しとは異なり、合金は析出が起こるように何時間も高温に保たれなければなりません。この時間遅延は「エージング」と呼ばれます。金属の仕様書や証明書では、溶体化処理とエージングは​​「STA」と略されることがあります。

析出物を伴う2つの異なる熱処理は、材料の強度を変えることができます。それは、溶解熱処理と析出熱処理 です。固溶強化では、急冷により単相固溶体を形成します。析出熱処理では、不純物粒子を添加して材料の強度を高めます。^[1]

この技術は過飽和現象を利用し、沈殿の駆動力と、望ましいプロセスと望ましくないプロセスの両方に利用できる熱活性化エネルギーとの慎​​重なバランスを必要とします。

核形成は比較的高温（多くの場合、溶解度限界よりわずかに低い温度）で起こるため、表面エネルギーの運動障壁をより容易に克服でき、最大数の沈殿粒子を形成できます。その後、これらの粒子は、老化と呼ばれるプロセスで低温で成長します。これは溶解度が低い条件下で行われるため、熱力学によって沈殿形成の総量が増加します。

拡散は温度に指数関数的に依存しているため、他の熱処理と同様に、析出強化は非常に繊細なプロセスになります。拡散が少なすぎると (時効不足)、粒子が小さすぎて転位を効果的に阻止できず、拡散が多すぎると (時効過剰)、粒子が大きくなりすぎて分散し、大部分の転位と相互作用できなくなります。

固溶度線が状態図の中心に向かって大きく傾斜している場合、析出強化が可能です。析出粒子の量は多ければ多いほど望ましいですが、合金元素は、ある程度の適切なアニーリング温度で容易に溶解する程度に少量追加する必要があります。多量が望まれる場合が多いですが、以下に説明するように、強度の低下を避けるために、粒子サイズは小さくする必要があります。

典型的なアルミニウム合金およびチタン合金の析出強化に使用される元素は、その組成の約 10% を占めています。学術的な演習としては二元合金の方が理解しやすいですが、市販の合金では、Al(Mg, Cu ) や Ti(Al, V ) などの組成で、析出強化に 3 つの成分が使用されることがよくあります。他の多くの成分は、意図的ではないが無害である場合や、結晶粒の微細化や耐食性などの他の目的で追加される場合があります。一例として、アルミニウム合金に Sc と Zr を追加してFCC L1 ₂構造を形成し、結晶粒を微細化して材料を強化することが挙げられます。^[2]多くのアルミニウム合金のように、強度の向上は耐食性を犠牲にして達成される場合もあります。最近の技術では、急速冷却によって得られる準安定相の量が多いため、積層造形に重点が置かれていますが、従来の鋳造では平衡相に限定されています。^[3]

ステンレス鋼の耐食性に必要な大量のニッケルとクロムの添加は、従来の焼入れおよび焼戻しの方法が効果的ではないことを意味します。ただし、クロム、銅、またはその他の元素の沈殿物は、焼入れおよび焼戻しと比較して、鋼を同程度強化することができます。強度は焼鈍プロセスを調整することで調整でき、初期温度が低いほど強度が高くなります。初期温度が低いほど、核形成の駆動力が高まります。駆動力が大きくなると、核形成サイトが増え、サイトが増えると、完成品の使用中に転位が破壊される場所が増えます。

多くの合金システムでは、老化温度を調整できます。たとえば、航空機製造用のリベットの製造に使用されるアルミニウム合金の中には、最初の熱処理から構造物に取り付けられるまでドライアイスの中に保管されるものがあります。このタイプのリベットは、最終的な形状に変形された後、室温で老化が起こり、強度が増して構造物が固定されます。老化温度が高くなると、構造物の他の部分が過度に老化するリスクがあり、また、高い老化温度によって析出物が成長しやすくなるため、組み立て後の熱処理に費用がかかります。

析出物によってマトリックスが硬化する方法はいくつかありますが、変形析出物と非変形析出物ではその方法も異なります。^[4]

変形粒子（弱い沈殿物）：

コヒーレンス硬化は、粒子とマトリックスの界面がコヒーレントな場合に発生します。これは、粒子サイズや粒子の導入方法などのパラメータに依存します。コヒーレンスとは、析出物の格子とマトリックスの格子が界面全体で連続していることです。^[5]過飽和固溶体から析出した小さな粒子は、通常、マトリックスとコヒーレントな界面を持ちます。コヒーレンス硬化は、析出物とマトリックスの原子容積の差に起因し、コヒーレンス歪みが生じます。析出物の原子容積が小さい場合、格子原子が通常の状態よりも近い位置にあるため張力が生じますが、析出物の原子容積が大きい場合は、格子原子が通常の位置よりも離れているため圧縮されます。格子が圧縮されているか張力を受けているかに関係なく、関連する応力場が転位と相互作用し、転位の反発または引力によって転位の動きが減少し、固溶体強化におけるサイズ効果と同様に降伏強度が増加します。このメカニズムが固溶強化と異なる点は、析出物が原子ではなく一定の大きさを持ち、そのため転位との相互作用が強くなるという点です。

弾性率硬化は、析出物とマトリックスの異なるせん断弾性率から生じ、転位線が析出物を切断するときに転位線張力のエネルギー変化につながります。また、転位線は析出物に入るときに曲がる可能性があり、転位線の影響長さが増加します。ここでも、強化は固溶体強化と同様の方法で発生し、格子の不一致が転位と相互作用して転位の動きを妨げます。もちろん、相互作用の深刻度は固溶体強化やコヒーレンス強化とは異なります。

化学強化は、粒子が転位によってせん断されたときに新たに導入された析出物とマトリックスの界面の表面エネルギーと関連しています。表面を作るにはエネルギーが必要なので、転位運動を引き起こす応力の一部は追加の表面によって吸収されます。弾性率硬化と同様に、界面領域の分析は転位線の歪みによって複雑になることがあります。

秩序強化は、析出物が秩序構造であり、せん断前後の結合エネルギーが異なる場合に発生します。たとえば、組成 AB の秩序立方結晶では、せん断後の AA と BB の結合エネルギーは、せん断前の AB 結合の結合エネルギーよりも高くなります。単位面積あたりの関連するエネルギー増加は、反位相境界エネルギーであり、転位が粒子を通過するにつれて徐々に蓄積されます。ただし、2 番目の転位は、粒子を横切るときに最初の転位によって残された反位相ドメインを削除する可能性があります。粒子の引力と最初の転位の反発により、2 つの転位間のバランスの取れた距離が維持されるため、秩序強化はより複雑になります。非常に細かい粒子がある場合を除いて、このメカニズムは一般に、他の強化ほど効果的ではありません。このメカニズムを検討する別の方法は、転位が粒子をせん断すると、新しく作成された表面とマトリックス間のスタッキング シーケンスが壊れ、結合が安定しないというものです。シーケンスをこのインターフェイスに戻すには、スタッキングをシフトするための別の転位が必要です。 1 番目と 2 番目の転位は、しばしば超転位と呼ばれます。これらの粒子を剪断するには超転位が必要なので、転位運動が減少することで強化されます。

変形しない粒子（強い沈殿物）：

変形しない粒子では、間隔が十分に小さいか、析出物とマトリックスの界面が乱れているため、転位は剪断されるのではなく湾曲します。強化は、有限の粒子サイズを考慮した粒子間の有効間隔に関連しますが、粒子の強度には関連しません。これは、粒子が十分に強くなり、転位が切断されるのではなく湾曲すると、転位の貫通抵抗がさらに増加し​​ても強化には影響しないためです。したがって、主なメカニズムはオロワン強化であり、強い粒子は転位が通り抜けるのを許可しません。したがって、湾曲が発生する必要があり、この湾曲により転位ループが構築され、その間で追加の転位が湾曲できるスペースが減少します。転位が粒子を剪断できず、通り抜けることができない場合、転位の動きはうまく妨げられます。

析出強化の主な種は第2相粒子です。これらの粒子は格子全体の転位の動きを妨げます。第2相粒子が溶液中に析出するかどうかは、粒子の状態図の固相線から判断できます。物理的には、この強化効果は、サイズと弾性率の効果、および界面または表面エネルギーの両方に起因すると考えられます。^{[4] [6]}

第二相粒子の存在は、多くの場合、格子歪みを引き起こします。これらの格子歪みは、析出粒子のサイズと結晶構造がホスト原子と異なる場合に発生します。ホスト格子内の析出粒子が小さいと引張応力が生じ、析出粒子が大きいと圧縮応力が生じます。転位欠陥も応力場を作り出します。転位の上には圧縮応力があり、転位の下には引張応力があります。その結果、転位と析出物の間には負の相互作用エネルギーが生じ、それぞれが圧縮応力と引張応力を引き起こします。あるいはその逆もあります。言い換えれば、転位は析出物に引き付けられます。さらに、同じタイプの応力場を持つ転位と析出物の間には正の相互作用エネルギーがあります。つまり、転位は析出物によって反発されます。

析出粒子は、材料の剛性を局所的に変化させる役割も果たします。転位は、剛性の高い領域によって反発されます。逆に、析出物によって材料が局所的に柔軟になると、転位はその領域に引き寄せられます。さらに、相間境界 (IPB) には 3 つのタイプがあります。

最初のタイプはコヒーレントまたは整列した IPB で、原子は境界に沿って 1 つずつ一致します。2 つの相の格子パラメータの差により、このタイプの境界にはコヒーレンス歪みエネルギーが関連します。2 番目のタイプは完全に無秩序な IPB で、コヒーレンス歪みはありませんが、粒子は転位に対して変形しない傾向があります。最後のタイプは部分的に整列した IPB で、境界に沿って転位が定期的に導入されることにより、コヒーレンス歪みが部分的に緩和されます。

マトリックス内の整合析出物において、析出物の格子定数がマトリックスの格子定数よりも小さい場合、IPB を横切る原子の一致により、移動する転位と相互作用する内部応力場が生じます。

変形経路は2つあり、1つはコヒーレンス硬化、もう1つは格子不整合である。

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

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

ここで、はせん断弾性係数、はコヒーレント格子不整合、は粒子半径、は粒子体積分率、はバーガースベクトル、は 濃度に等しくなります。 ${\displaystyle G}$${\displaystyle \varepsilon _{coh}}$${\displaystyle r}$${\displaystyle f}$${\displaystyle b}$${\displaystyle rf/b}$

もう一つは、弾性係数硬化です。転位エネルギーは、析出物を切断するときのエネルギーは、線分エネルギーの変化は、 ${\displaystyle U_{m}=G_{m}b^{2}/2}$${\displaystyle U_{p}=G_{p}b^{2}/2}$

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

影響を受ける転位の最大長さは粒子の直径であり、線張力の変化は距離に等しい距離にわたって徐々に起こる。転位と析出物との間の相互作用力は ${\displaystyle r}$

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

さらに、転位が析出粒子を切断し、より多くの析出物-マトリックス界面を導入する可能性があり、これが化学強化となります。転位が粒子に入り、粒子内にある場合、粒子の上部は、転位の進入に伴って下部に対して b せん断されます。同様のプロセスが、転位が粒子から出るときにも発生します。転位が完全に通過すると、およそ の大きさのマトリックス-析出物表面積が生成されます。ここで、r は粒子の半径、b はバーガース ベクトルの大きさです。結果として生じる表面エネルギーの増加は で、 は表面エネルギーです。転位と粒子間の最大の力は で、対応する流動応力は のはずです。 ${\displaystyle A=2\pi rb\,\!}$${\displaystyle E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!}$${\displaystyle \gamma_{s}}$${\displaystyle F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!}$${\displaystyle \Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL}$

粒子が転位によってせん断されると、粒子を変形させるには 閾値せん断応力が必要になります。必要なせん断応力の式は次のとおりです。

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

沈殿物のサイズが小さい場合、必要なせん断応力は沈殿物のサイズに比例します。ただし、粒子の体積分率が固定されている場合、r の値が大きいと粒子間隔が広がるため、この応力は減少する可能性があります。曲線の全体的なレベルは、固有の粒子強度または粒子の体積分率の増加によって上昇します。 ${\displaystyle \tau}$${\displaystyle r^{1/2}}$

転位は、いわゆるオロワン機構を通じて析出粒子の周囲に 曲がることもあります。

粒子は変形しないため、転位は粒子の周囲で曲がります ( )。バイパスを実行するために必要な応力は、粒子間隔 に反比例します。つまり、 で、 は粒子半径です。バイパス操作後、転位ループが粒子を取り囲むため、後続の転位はループ間から押し出される必要があります。したがって、2 番目の転位の有効粒子間隔はでに減少し、この転位のバイパス応力は になるはずです。これは、最初の転位のバイパス応力よりも大きくなります。ただし、粒子の半径が増加すると、 が増加して析出物の体積分率を同じに維持し、が増加し、が減少します。その結果、析出物のサイズが大きくなるにつれて、材料は弱くなります。 ${\displaystyle \phi _{c}=0}$${\displaystyle (L-2r)}$${\displaystyle \tau _{b}=Gb/(L-2r)}$${\displaystyle r}$${\displaystyle (L-2r')}$${\displaystyle r'>r}$${\displaystyle \tau _{b}'=Gb/(L-2r')}$${\displaystyle L}$${\displaystyle (L-2r)}$${\displaystyle \tau _{b}}$

粒子の体積分率が一定であれば、r が増加すると粒子間隔の増加が伴うため、r は減少します。 ${\displaystyle \tau _{b}}$

一方、 が増加すると、粒子間隔が細かくなるため、応力のレベルが増加します。 のレベルは粒子の強度の影響を受けません。つまり、粒子が切削に耐えられるほど強くなると、転位の浸透に対する抵抗をさらに増加させても には影響しません。 は、マトリックス特性と有効粒子間隔のみに依存します。 ${\displaystyle f}$${\displaystyle \tau _{b}}$${\displaystyle \tau _{b}}$

体積分率の粒子 A がマトリックス内に分散している場合、粒子は に対してせん断され、 に対してバイパスされると、切断応力と湾曲応力が等しい で最大強度が得られます。同じ体積分率の本質的に硬い粒子 B が存在する場合、曲線のレベルは増加しますが、一方のレベルは増加しません。最大硬化は A 粒子の場合よりも大きく、 で見られます。A の体積分率を増やすと、 との両方のレベルが上がり、得られる最大強度が増加します。後者は で見られ、曲線の形状に応じてより小さくなるか より大きくなります。 ${\displaystyle f_{1}}$${\displaystyle r<r_{c1}}$${\displaystyle r>r_{c1}}$${\displaystyle r=r_{c1}}$${\displaystyle \tau _{c}}$${\displaystyle \tau _{b}}$${\displaystyle r_{c2}<r_{c1}}$${\displaystyle \tau _{b}}$${\displaystyle \tau _{c}}$${\displaystyle r_{c3}}$${\displaystyle r_{c1}}$${\displaystyle \tau -r}$

弱い析出物と強い析出物に基づく析出硬化の2つのメカニズムを説明する方程式には、主に2つの種類があります。弱い析出物は転位によってせん断される可能性がありますが、強い析出物はせん断されないため、転位は曲がる必要があります。まず、これら2つの異なるメカニズムの違いを、それらが作り出す転位線張力の観点から考慮することが重要です。^[7]線張力バランス方程式は次のとおりです。

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

は、特定の応力における転位の半径です。強い障害物は、転位の湾曲により が小さくなります。それでも、障害物の強度が減少すると が増加するため、計算に含める必要があります。L' は、障害物間の有効間隔 L にも等しくなります。これにより、強い障害物に対する方程式が残ります。 ${\displaystyle \phi _{c}}$${\displaystyle \phi _{c}}$${\displaystyle \phi _{c}}$

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

弱い粒子を考慮すると、転位線が障害物を通過しても比較的まっすぐなので、 は 近づくはずです。また、 L' は次のようになります。${\displaystyle \phi _{c}}$${\displaystyle 180^{\circ }}$

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

これは弱粒子方程式を述べている。

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

ここで、各体制のメカニズムについて考えてみましょう。

転位による粒子の切断: 初期段階でのほとんどの強化では、 の増加に伴って増加します。ここで、は無次元のミスマッチパラメータ (たとえば、コヒーレンス硬化では、は析出物とマトリックス格子パラメータの分数変化)、は析出物の体積分率、は析出物の半径、 はバーガースベクトルの大きさです。この関係によれば、ミスマッチ、体積分率、粒子サイズが増加するにつれて材料の強度が増加するため、半径が小さい粒子では転位が切断しやすくなります。 ${\displaystyle \epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}}$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle \epsilon }$${\displaystyle f}$${\displaystyle r}$${\displaystyle b}$

切削によるさまざまなタイプの硬化に対する支配方程式は次のとおりです。

一貫性強化のために、

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

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

ここで、 は増加したせん断応力、 はマトリックスのせん断弾性率 、は析出物またはマトリックスの格子定数です。 ${\displaystyle \tau }$${\displaystyle G}$${\displaystyle a_{p}}$${\displaystyle a_{m}}$

弾性係数硬化の場合、

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

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

ここで、およびは沈殿物またはマトリックスのせん断弾性率です。 ${\displaystyle G_{p}}$${\displaystyle G_{m}}$

化学強化の場合、

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

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

ここで、 粒子-マトリックス界面表面エネルギーです。 ${\displaystyle \gamma _{s}}$

秩序強化のため、

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

（低い、初期段階の沈殿）、転位が広く離れている。 ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

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

（高い、初期段階の析出）、ここでは転位は広く離れていない； ここで、は逆位相境界エネルギーである。 ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}}$${\displaystyle APBE_{s}}$

粒子の周りで転位が曲がる：析出物が転位の浸透に抵抗できるほど十分に強い場合、転位は曲がり、最大応力はオロワンの式で与えられます。転位の曲がりはオロワン強化とも呼ばれ、^[8]材料内の粒子密度が低い場合に発生する可能性が高くなります。

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

ここで、は材料強度、はせん断弾性率、はバーガース ベクトルの大きさ、はピンニング ポイント間の距離、 は第 2 相粒子の半径です。この支配方程式は、転位の湾曲に対して強度が第 2 相粒子の半径に反比例することを示しています。これは、析出物の体積分率が固定されている場合、粒子間の間隔が粒子半径と同時に増加し、したがってとともに増加するためです。 ${\displaystyle \tau }$${\displaystyle G}$${\displaystyle b}$${\displaystyle L}$${\displaystyle r}$${\displaystyle r}$${\displaystyle L}$${\displaystyle r}$${\displaystyle L-2r}$${\displaystyle r}$

これらの支配方程式は、析出硬化のメカニズムが析出粒子のサイズに依存することを示しています。 が小さい場合、切削が支配的になり、 が大きい場合、湾曲が支配的になります。 ${\displaystyle r}$${\displaystyle r}$

両方の式のプロットを見ると、最大の強化が起こる臨界半径があることがわかります。この臨界半径は通常 5 ～ 30 nm です。

上記のオロワン強化モデルは、曲げによる転位の変化を無視している。湾曲を考慮し、フランク・リード機構の不安定性条件を仮定すると、ピンニングセグメント間の転位の湾曲の臨界応力は次のように記述できる。^[9]

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

ここで、は の関数、は転位線とバーガース ベクトルの間の角度、は有効な粒子間隔、はバーガース ベクトル、は粒子の半径です。 ${\displaystyle A}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle L^{'}}$${\displaystyle b}$${\displaystyle r}$

粒度制御

多結晶材料中の析出物は、核生成または粒界付近に位置する場合、結晶粒微細化剤として作用し、合金が凝固する際に粒界を固定し、粗い微細構造を許さない。これは、室温では微細な微細構造の方が粗いものよりも（機械的特性において）優れていることが多いため、有用である。最近では、クリープ条件下でのナノ析出物が研究されている。これらの析出物は、高温で粒界を固定し、本質的に「摩擦」として作用する。もう 1 つの有用な効果は、非常に微細な析出物による拡散クリープ条件下での粒界滑りを阻止することであり、析出物がマトリックス内に均一に分散している場合、粒内のこれらの同じ析出物がクリープ転位クリープ条件下で転位と相互作用する可能性がある。^[10]

二次沈殿物

特定の老化条件下では、元素組成に応じて、以前は存在しなかったさまざまな析出物が形成される可能性があります。二次析出物は、マトリックス固溶体状態から溶質を除去することによって発生する可能性があります。これを制御することで、微細構造を制御し、特性に影響を与えることができます。^[11]

新しい合金の開発には多大な努力が払われてきましたが、実験結果の実施には時間と費用がかかります。 1 つの代替案として、密度汎関数理論によるシミュレーションを実行することが考えられます。このシミュレーションでは、析出硬化の観点から、析出物とマトリックスの結晶構造を利用し、従来の形式の実験よりも多くの代替案を探索できます。

これらのシミュレーションを行うための戦略の 1 つは、多くの金属合金に見られる秩序構造、たとえば多数のシステムで観察されている長周期積層構造 (LPSO) に注目することです。^{[12] [13] [14]} LPSO 構造は、1 つの軸に沿って長く詰め込まれた層状構成で、一部の層には析出元素が豊富に含まれています。これにより、スーパーセルの対称性を利用することができ、現在利用可能な DFT 手法に適しています。^[15]

このようにして、一部の研究者は、一部の金属合金の重量を減らすことができる可能性のある強化析出物をスクリーニングするための戦略を開発しました。^[16]たとえば、マグネシウム合金は軽量構造金属の1つであるため、自動車業界でアルミニウムとスチールの代替として注目されてきました。しかし、マグネシウム合金は強度と延性が低いという問題があり、その使用が制限されています。これを克服するために、希土類元素の添加による析出硬化技術が合金の強度と延性を向上させるために使用されました。具体的には、これらの増加の原因となるLPSO構造が発見され、室温で5％の伸びで610 MPaという高い降伏強度を示すマグネシウム合金が生成されました。^[17]

このようにして、一部の研究者は、希少元素（RE）よりも安価な代替品を探す戦略を開発しました。これは、Mg-Xl-Xsの三元系をシミュレートしたものです。ここで、XlとXsは、それぞれMgよりも大きい原子と短い原子に対応します。この研究では、85を超えるMg-Re-Xs LPSO構造が確認され、既知のLPSO三元構造を予測するDFTの能力が示されました。次に、11の非RE Xl元素を調査し、そのうち4つが熱力学的に安定していることがわかりました。そのうちの1つは、LPSO構造を形成すると予測されるMg-Ca-Zn系です。^[18]

以前のDFT予測に続いて、他の研究者らはMg-Zn-Y-Mn-Ca系で実験を行い、0.34%のCa添加でLPSO構造の形成により系の機械的特性が向上し、「強度と延性の良好なバランス」が達成されることを発見した。^[19]

• 2000シリーズアルミニウム合金（重要な例：2024および2019、Y合金およびヒドミニウム）
• 6000シリーズアルミニウム合金（重要な例：自転車のフレームや航空機構造用の6061 ）
• 7000系アルミニウム合金（重要な例：7075、7475）
• 17-4 ステンレス鋼( UNS S17400)
• マルエージング鋼
• インコネル718
• 合金X-750
• ルネ 41
• ワスパロイ
• 桑（ウラン合金）
• NAK55 低炭素鋼

• アルフレッド・ウィルム
• 材料の強度
• 材料の強化メカニズム
• 冶金
• 超合金

• ASM 金属ハンドブック 第 4 巻 熱処理

• プロジェクト aluMatter