Bereich, in dem sich gelöste Atome zu Beginn des Auslagerns als Plättchen von einer bis wenigen Atomlagen Dicke auf bestimmten Ebenen der Matrix sammeln. Er ist kohärent zur Matrix und trägt die Härtung von Aluminiumlegierungen beim Kaltauslagern.
Japanische Bezeichnung: GPゾーン
„GP-Zone“ kommt in 2 Übungsfragen aus 2 Themen vor, darunter Nichteisenmetalle und -legierungen, Wärmebehandlung und metallische Werkstoffe.
Fachgebiet: Nichteisenmetalle und -legierungen
1906 entdeckte Wilm, dass eine abgeschreckte Al-Cu-Mg-Legierung bei Lagerung bei Raumtemperatur über einige Tage härter wurde; im Lichtmikroskop war jedoch keine Gefügeänderung zu sehen, und die Ursache blieb lange ein Rätsel. 1938 untersuchten Guinier und Preston unabhängig voneinander die diffuse Streuung von Röntgenstrahlen und zeigten, dass sich in der Matrix äußerst kleine Bereiche bilden, in denen sich gelöste Atome angesammelt haben. Diese Bereiche heißen nach den beiden GP-Zonen. Später wurden sie im Transmissionselektronenmikroskop direkt beobachtet und wurden zum Ausgangspunkt, um die Aushärtung auf atomarer Skala zu verstehen.
GP-Zonen in Al-Cu-Legierungen sind Scheiben von wenigen Nanometern Durchmesser aus einer bis mehreren Lagen Cu-Atome auf den {100}-Ebenen der Matrix. Die Kristallstruktur bleibt das kfz-Gitter der Matrix; da Cu-Atome kleiner sind als Al-Atome, wird das umgebende Gitter verzerrt, und diese Verzerrung behindert die Versetzungsbewegung. Da die Grenzfläche voll kohärent ist, ist ihre Energie klein und die Keimbildungsbarriere niedrig, sodass sich die Zonen in sehr hoher Dichte in der Matrix bilden. Die Form hängt von der Legierung ab: In Al-Zn-Mg entstehen kugelförmige Zonen, in Al-Mg-Si Cluster als Vorstufe nadelförmiger Ausscheidungen.
GP-Zonen sind die erste Stufe der Ausscheidungsfolge; in Al-Cu lautet sie GP-Zonen → θ'' → θ' → θ und führt mit fortschreitendem Auslagern von kohärent über teilkohärent zu inkohärent. GP-Zonen bilden sich bei Raumtemperatur, weil die beim Abschrecken von der Lösungsglühtemperatur erhaltenen überschüssigen Leerstellen die Diffusion der Cu-Atome unterstützen. GP-Zonen haben eine obere Temperatur (Solvus), oberhalb derer sie sich auflösen; beim Warmauslagern darüber können sich Zwischenphasen direkt ausscheiden, ohne den Weg über GP-Zonen zu nehmen. Auch die Rückbildung, bei der kaltausgelagerter Werkstoff bei kurzem Erwärmen weicher wird, beruht auf der Auflösung von GP-Zonen.
Lösung: A. Es sind scheibenförmige Ansammlungen von Cu-Atomen von einer bis wenigen Atomlagen Dicke auf den {100}-Ebenen der Matrix, die voll kohärent zu ihr sind und sich schon beim Auslagern bei Raumtemperatur bilden
Durch das Abschrecken übersättigte Cu-Atome sammeln sich zunächst auf den {100}-Ebenen der Matrix und bilden scheibenförmige GP-Zonen von einer bis wenigen Atomlagen Dicke und wenigen Nanometern Durchmesser. Sie behalten die Kristallstruktur der Matrix bei und sind voll kohärent; wegen ihrer geringen Grenzflächenenergie ist die Keimbildungsbarriere niedrig, sodass sie mithilfe der beim Abschrecken erhaltenen überschüssigen Leerstellen schon bei Raumtemperatur entstehen und die Härtung beim Kaltauslagern tragen. Mit fortschreitendem Auslagern durchläuft die Legierung die kohärenten und teilkohärenten Zwischenphasen θ'' und θ' bis zur inkohärenten, groben Gleichgewichtsphase θ und entfestigt beim Überaltern. Der Saum nahe den Korngrenzen, in dem Cu und Leerstellen verarmt sind und sich keine Ausscheidungen bilden, ist die ausscheidungsfreie Zone (PFZ), also etwas anderes als GP-Zonen. Grobes θ ist keine GP-Zone, sondern die Gleichgewichtsphase des letzten Auslagerungsstadiums.
GP-Zonen sind Bereiche, in denen sich gelöste Atome unter Beibehaltung der Kristallstruktur der Matrix angesammelt haben, und werden gewöhnlich nicht als eigene Phase betrachtet. Teilchen mit einer von der Matrix abweichenden Kristallstruktur wie θ' und θ nennt man zur Unterscheidung Ausscheidungen.
Weil eine Versetzung, die eine GP-Zone schneidet, Arbeit gegen deren Verzerrungsfeld und zur Bildung neuer Grenzfläche leisten muss. GP-Zonen sind äußerst fein und dicht verteilt, daher verfangen sich Versetzungen häufig an ihnen.
Bei Legierungen der 6000er-Serie kann eine lange Lagerung bei Raumtemperatur nach dem Lösungsglühen die beim anschließenden Warmauslagern erreichte Festigkeit senken. Deshalb wird die Liegezeit bei Raumtemperatur im Prozess überwacht.
Durch das Abschrecken übersättigte Cu-Atome sammeln sich zunächst auf den {100}-Ebenen der Matrix und bilden scheibenförmige GP-Zonen von einer bis wenigen Atomlagen Dicke und wenigen Nanometern Durchmesser.
Wird eine Al-Cu-Legierung lösungsgeglüht, abgeschreckt und …Hält man ihn anschließend bei Raumtemperatur (Kaltauslagern) oder bei etwa 100–200 °C (Warmauslagern), bilden sich feine, mit der Matrix kohärente oder teilkohärente Ausscheidungen wie GP-Zonen, θ″- und θ′-Phase, die die Versetzungsbewegung behindern und die Festigkeit erhöhen.
Welche Reihenfolge der Schritte bei der Ausscheidungshärtun…Leerstelle Ausscheidungshärtung Al-Li-Legierung Alclad Berylliumkupfer Zähgepoltes Kupfer Zustandsbezeichnung γ''-Phase