超深冷处理主要利用了三种不同机制：热力学、动力学和物理化学机制。这些机制可以在特定条件下显现出来并影响材料的性能。
热力学机制。会随着温度降低，物质的熵会逐渐降低。当温度达到超深冷程度时，物质处于非常低的熵状态。这降低了物质的化学反应活性，减少了晶界迁移结构上的缺陷，提高了材料的稳定性。
动力学机制。在材料中存在大量的位错和空位，在深度冷却过程中，它们会从晶面上扩散至格点，导致材料变形、变硬。而超深冷处理可以减慢位错、空位在材料中扩散的速度，从而促进了材料形变和回弹，并提高了其抗疲劳性。
物理化学机制。超深冷下会发生很多物理化学反应，其中一个明显例子是液态气体在超深冷过程中逐渐液化、不断释放出极小的分子气态气体。这种反应在金属加工中很常见，可用于表面硬化、改善电性能等。
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