在生產中曾發現，低碳鋼板材經熱加工或冷形變后在室溫下放置一定時間，其力學性能會發生變化，即強度、硬度升高，而塑性、韌性下降。又如馬氏體時效鋼淬火后，加熱至某一溫度（通常是480℃）并經一定時間保溫，在室溫下同樣可獲得類似的性能變化規律。人們常常把金屬材料的力學性能隨時間而變化的現象稱為時效。時效現象不僅在鋼中存在，在許多有色合金中也普遍存在。

鋼（或合金）經固溶處理（加熱固溶化后快冷，也稱淬火）后，其固溶體中的溶質元素（合金元素）將處于過飽和狀態，如果在室溫或某一定高溫下溶質原子仍具有一定的擴散能力，那么隨時間的延續，過飽和固溶體中的溶質元素將發生脫溶（或析出），從而使鋼（或合金）的力學性能發生變化，即時效，如圖1所示。如果這一變化過程是在室溫下發生的就稱為自然時效，如果是在某一定高溫下發生的就稱為人工時效。可見，要發生時效必須具備下列條件：

①    溶質元素在固溶體中應具有一定的固溶度，并隨溫度下降而減小；

②    經高溫固溶處理后溶質元素處于過飽和狀態；

③    在較低溫度（室溫或高于室溫）下，溶質原子仍具有一定的擴散能力。

圖1 固溶處理后時效的工藝過程

時效過程就其本質來說是一個由非平衡狀態向平衡狀態轉化的自發過程。但是這種轉化在達到最終平衡狀態前，往往要經歷幾個過渡階段。其一般規律是：先在過飽和固溶體中形成介穩的偏聚狀態，如溶質原子偏聚區（亦稱G-P區）、柯氏氣團；繼之形成介穩過渡相；最后則形成平衡（穩定）相。G-P區與基體（過飽和固溶體）是完全共格的，其晶體結構也與基體相同，故不能當做“相”；介穩相與基體可能是完全或部分共格，并具有一定的化學成分，其晶體結構與基體不同，根據鋼（或合金）的成分不同，這種介穩過渡相可能不止一種，常以θ', θ'', …表示；平衡相也具有一定的化學成分和晶體結構，常以θ表示，它與基體呈非共格關系。既然G-P區、過渡相和平衡相是不同階段的析出物，它們就應有各自的固溶度曲線。現根據析出物的介穩程度，將其固溶度曲線依次排列在亞平衡相圖上，并與平衡相圖相重疊，如圖2所示。可見，G-P區的固溶度最大，平衡相的固溶度最小。由此不難推斷，在形成G-P區時，它與基體相之間的溶質元素濃度差最小，而析出平衡相時，它與基體相之間的溶質元素濃度差最大。

圖2 各種析出物的固溶度曲線

由于G-P區與基體相呈完全共格，界面能較小，使其形核功較小，加之它與基體相間的溶質元素濃度差小，使之較易通過擴散而形核和長大，所以盡管從熱力學上看，其相變驅動力與析出平衡相時相比為小，但在整個時效過程中，其析出的次序一般總是：G-P區→介穩過渡相(θ",θ')→平衡相(θ)。可見，隨時間的延續，合金的顯微結構將不斷發生變化。

但是，如果時效溫度高于G一P區完全固溶的最低溫度（如圖2中的t1）， 則時效過程一開始即形成過渡相θ"，而無形成G-P區的階段。這表明，時效溫度愈高，即固溶體過飽和度愈小，則時效過程的階段數便愈少。

在時效過程中，G-P區雖比過渡相、平衡相易于形成，但也易于溶解。對于已經過時效（處于G-P區階段）的合金，只需加熱至高于G-P區固溶度曲線以上的溫度，就可使之再度溶解，這時如立即快冷，即可使合金恢復到時效前的狀態，這種現象稱為回歸。

時效溫度是影響時效過程的重要因素，這主要表現在對時效機理、動力學以至對合金的顯微組織、亞結構和性能產生顯著影響。時效時間雖對時效過程也產生影響，但卻占次要地位。圖3為淬火低碳鋼的時效硬化曲線，可以看出，隨時效時間延續，硬度先升后降（在0℃時效時例外）；隨時效溫度升高，時效加速，出現硬度峰值的時間愈短，且硬度峰值愈低。研究表明，淬火鋼中所含碳、氮等間隙原子在室溫下都具有一定的擴散能力，所以它們極易在位錯等缺陷附近偏聚，形成柯氏氣團；如時效溫度較高，還將以碳、氮化物的形式從固溶體中析出。上述過程均會引起較大的強化效果。但是隨溫度的升高或時間延續，時效過程將繼續發展，使碳、氮化物相發生聚集長大，從而導致強化效果的減弱。一般鋼在時效后，在強度、硬度提高的同時，總是引起塑性、韌性的下降，這是很不利的一方面。

圖3 低碳鋼（Wc=0.06%）的時效硬化曲線

鋼中固溶的間隙元素是引起時效的基本元素。在鐵素體中固溶的碳量愈多，時效強化效果就愈顯著。實踐表明，當碳質量分數為0.025％左右時可獲得最大的時效效果。如鋼的碳含量繼續增高，則時效效果反而減小；當碳質量分數達到0.6%時，鋼實際上已不產生時效現象。這是因為鋼的碳含量愈高，其鐵素體量就愈少，而時效只是在鐵素體中發生，因而使時效效果愈趨減小。

氮與碳的性質相近，因而也是引起時效的基本元素。如果煉鋼時采用鋁脫氧，則必然有殘余的鋁保留在鋼中，并與氮結合成AlN。由于在軋前的加熱溫度較高，AlN可全部溶人奧氏體中，如果軋后冷速較快（如空冷）, AlN則來不及析出，此時氮和鋁由原來固溶于奧氏體中變為固溶于鐵素體中，并處于過飽和狀態，因此在隨后的人工時效時，將發生AlN析出。但在軋后采取緩冷或軋后重新加熱退火，則AlN將充分析出，從而使鐵素體中氮的過飽和度降低，以致大大降低對時效的敏感性。

除鋁外，當鋼中含有鉻、鈦、鉬、鈮等碳、氮化合物形成元素時，如軋后緩冷，將同樣由于碳、氮化物的析出而降低對時效的敏感性。合金元素的存在還直接影響鐵素體中碳、氮的固溶度和碳、氮原子的擴散速度，這些也都將對碳、氮的時效效果產生影響。

冷形變會使鋼中的位錯密度增大，易于形成更多的柯氏氣團，同時形變還能加速擴散，因此，冷形變不僅可加速時效過程，還可使時效后的硬度升高。

對低碳鋼來說，即使從高溫狀態緩慢冷下來得到平衡組織，如經冷形變后，在室溫或較高一些的溫度下，隨時間延續，也會引起力學性能的變化，這種現象稱為形變時效。形變時效后所發生的力學性能變化規律同淬火時效相似，即強度、硬度增高，塑性、韌性降低。

形變時效的產生也與固溶于鐵素體中的碳、氮原子的作用密切相關。因為冷形變使鐵素體中的位錯密度增加，因而其中的碳、氮原子可以發生偏聚，以更短的路程擴散至位錯處而形成柯氏氣團，從而使強度、硬度升高。一般用硅脫氧的半鎮靜鋼或沸騰鋼中，由于不含鋁，不存在AlN的析出過程，故鋼中固溶的氮量較高。正因如此，它們比用鋁脫氧的鎮靜鋼更易于發生形變時效脆化，同時因其在形變時效時不發生AlN的析出和聚集長大過程，故隨時效時間的延續，不會出現強度、硬度降低的現象。這是與淬火（固溶處理）時效相區別的本質原因。

實驗表明，低碳（沸騰）鋼經冷形變后（未經時效），立即進行拉伸試驗，不會出現明顯的屈服現象，但經時效后卻具有明顯的屈服現象。正如圖4所示，圖中a表示時效后進行拉伸試驗的情況；表示在Y點卸載后作停留（即相當于進行時效），再加載時又會出現屈服現象，并出現了屈服點應力增△σ。同時還發現，經冷形變后，隨時效時間的延續，屈服點應力的增量△σ增大，如圖5所示。

圖4 顯示低碳鋼形變時效特性的應力-應變曲線

a-原材料拉伸時開始出現的屈服現象；

b-在X點卸載后，又立即加載不出現屈服現象；

c-在Y點卸載后時效，再加載又出現屈服現象；

圖5  WC,N=0.114％的鐵在形變后時效（初期）時間與屈服點應力增量間的關系

生產中在對低碳沸騰鋼板進行冷沖壓時，由于存在明顯的屈服現象，會在局部承受應力較大的地區發生突然的屈服延伸，使形變和未形變部分之間形成明顯的分界，以致在鋼板表面上出現皺紋。這種皺紋的存在既影響產品外觀，又降低了產品質量。為了避免形變時效的有害影響，可在冷沖壓前對鋼板進行小形變量的軋制（以消除屈服現象），隨后立即沖壓；如不能及時沖壓，可將鋼板儲存在零下溫度，以抑制或減緩時效過程。圖6表示純鐵冷形變后在不同溫度下時效時間對屈服點應力增量△σ的影響。可見，溫度愈低，時效過程愈慢。綜上所述，形變時效實際上是形變、時效溫度和時效時間三者綜合作用的結果。通常把先形變而后進行時效稱為靜態形變時效。如果形變是在較高的溫度進行，則時效可在形變過程中同時進行，這種時效稱為動態形變時效。可見，對形變時效較敏感的鋼來說，在較高溫度下測定其力學性能實際上就是一個動態形變時效過程。

圖6  XC,N為0.057％的鐵形變后在不同溫度下時效時間與屈服點應力增量△σ的關系

馬氏體時效鋼是指一類超低碳（WC≤0.03%）高鎳（18％~25％）并加有某些能引起時效強化的合金元素的高合金超高強度鋼。其中最典型的是18Ni型鋼，它大致含有17~19Ni，7~9Co，4.5~5Mo，0.5~0.9Ti，0.1~0.25Al等合金元素。這種鋼中由于含有大量的鎳，奧氏體很穩定，故淬透性極好，經奧氏體化（820℃）后空冷至Ms（約200℃）以下即可獲得馬氏體，而且由于其碳含量極低，加上多種合金元素的影響，使其得到完全的板條狀馬氏體組織。另一方面由于該鋼的熱滯性較大，其As點高于500℃，因此，人們可以利用這一特點，正火后于500℃以下（通常為425~485℃）進行時效處理。由于馬氏體中有較高的位錯密度，易于形成柯氏氣團，繼之以此為核心從馬氏體基體中析出大量部分共格的彌散的金屬間化合物（如Ni3Mo, Ni3Ti等），從而使鋼獲得顯著的強化效果。