GP 대의 뜻
시효 초기에 용질 원자가 기지의 특정한 면에 1~수 원자층의 판 모양으로 모인 영역. 기지와 정합하며 알루미늄 합금의 자연 시효 경화를 담당한다.
일본어 명칭: GPゾーン
‘GP 대’ 관련 연습 문제는 2개 분야에 2문제가 있습니다(비철 금속 재료, 열처리와 금속 재료 등).
이 용어의 분야: 비철 금속 재료
발견과 이름
1906년에 빌름은 Al-Cu-Mg 합금을 담금질한 뒤 상온에 두면 며칠에 걸쳐 단단해지는 것을 발견했지만, 광학 현미경으로는 조직의 변화가 보이지 않아 원인은 오랫동안 수수께끼였습니다. 1938년에 기니에와 프레스톤이 각각 독립적으로 X선의 산만 산란을 조사하여, 기지 안에 용질 원자가 모인 매우 작은 영역이 생긴다는 것을 보였습니다. 이 영역이 두 사람의 이름을 따서 GP 대라고 불립니다. 나중에 투과 전자 현미경으로 직접 관찰되어, 시효 경화의 원리를 원자 척도에서 이해하는 출발점이 되었습니다.
형태와 정합성
Al-Cu 합금의 GP 대는 기지의 {100}면 위에 Cu 원자가 1층에서 수 층 모인 지름 수 nm의 원판입니다. 결정 구조는 기지의 FCC 그대로이며, Cu 원자가 Al 원자보다 작기 때문에 주위의 격자가 변형되고, 이 변형이 전위의 움직임을 방해합니다. 계면이 완전히 정합하므로 계면 에너지가 작고 핵생성의 장벽이 낮아, 기지 안에 매우 높은 밀도로 생깁니다. Al-Zn-Mg계에서는 구형, Al-Mg-Si계에서는 나중에 침상 석출물이 되기 전 단계의 원자 집합체(클러스터)가 생기는 등, 합금에 따라 형태가 다릅니다.
시효 진행 속에서의 위치
GP 대는 석출 순서의 첫 단계로, Al-Cu계에서는 GP 대 → θ'' → θ' → θ와 같이 시효와 함께 정합에서 반정합, 비정합으로 바뀌어 갑니다. 상온에서 GP 대가 생기는 것은 용체화 처리 온도에서 급랭하여 남은 과잉 공공이 Cu 원자의 확산을 돕기 때문입니다. GP 대는 온도를 올리면 녹아 사라지는 상한 온도(고용선)를 가지며, 그보다 높은 온도에서 인공 시효하면 GP 대를 거치지 않고 중간상이 직접 석출하기도 합니다. 자연 시효한 재료를 짧은 시간 가열하면 연해지는 복원 현상도 GP 대의 용해에 의한 것입니다.
GP 대 연습 문제에 도전
Al-Cu 합금을 용체화 처리하여 급랭한 뒤 시효하면, 석출물은 대략 GP 대 → θ'' → θ' → θ(Al₂Cu)의 순서로 바뀐다. GP 대에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- A기지의 {100}면을 따라 Cu 원자가 1~수 원자층의 원판 모양으로 모인 것으로, 기지와 완전히 정합하며 상온 시효에서도 생긴다
- B결정립계를 따라 Cu가 결핍된 폭이 좁은 영역으로, 석출물이 생기지 않으므로 결정립계 근처가 연해지는 원인이 된다
- C평형상인 θ(Al₂Cu)가 입내에 조대하게 석출한 것으로, 기지와 비정합인 계면을 가지며 과시효 단계에서 나타난다
정답과 해설 보기
정답: A. 기지의 {100}면을 따라 Cu 원자가 1~수 원자층의 원판 모양으로 모인 것으로, 기지와 완전히 정합하며 상온 시효에서도 생긴다
급랭으로 과포화된 Cu 원자는 먼저 기지의 {100}면에 모여, 두께 1~수 원자층, 지름 수 nm인 원판 모양의 GP 대를 만듭니다. 결정 구조는 기지 그대로이며 완전히 정합하고, 계면 에너지가 작아 핵생성의 장벽이 낮으므로, 급랭으로 남은 과잉 공공의 도움을 받아 상온에서도 생기며 자연 시효의 경화를 담당합니다. 시효가 진행되면 정합이나 반정합인 중간상 θ'', θ'를 거쳐 비정합이고 조대한 평형상 θ가 되며, 과시효로 연화합니다. 결정립계 근처에서 Cu나 공공이 줄어 석출물이 생기지 않는 띠는 무석출대(PFZ)로, GP 대와는 다른 것입니다. 조대한 θ는 GP 대가 아니라 시효의 최종 단계인 평형상입니다.
자주 묻는 질문
GP 대와 석출물은 다른 것입니까?
GP 대는 기지와 같은 결정 구조를 유지한 채 용질이 모인 영역으로, 독립된 상으로는 보지 않는 것이 보통입니다. θ'나 θ처럼 기지와 다른 결정 구조를 가진 입자를 석출물이라고 불러 구별합니다.
GP 대로 강해지는 것은 왜입니까?
전위가 GP 대를 절단하며 지나갈 때, 변형장에 거스르는 일이나 새로운 계면을 만드는 일이 필요하기 때문입니다. GP 대는 매우 미세하고 조밀하게 있으므로 전위가 빈번하게 걸립니다.
자연 시효한 재료가 인공 시효를 방해하는 경우가 있습니까?
6000계 합금에서는 용체화 처리 후 상온에 오래 두면, 그 후의 인공 시효로 도달하는 강도가 내려가는 경우가 있습니다. 그러므로 공정 안에서 상온의 방치 시간을 관리합니다.
해설 속의 ‘GP 대’
급랭으로 과포화된 Cu 원자는 먼저 기지의 {100}면에 모여, 두께 1~수 원자층, 지름 수 nm인 원판 모양의 GP 대를 만듭니다.
Al-Cu 합금을 용체화 처리하여 급랭한 뒤 시효하면, 석출물은 대략 GP 대 → θ'' → θ' → θ(…그 뒤 상온(자연 시효)이나 100~200℃ 정도(인공 시효)에서 유지하면 GP 대, θ″상, θ′상과 같이 미세하고 기지와 정합·반정합인 석출물이 생겨, 전위의 운동을 방해하여 강도가 올라갑니다.
Al-Cu 합금(두랄루민계)의 석출 경화 처리 순서로 옳은 것은 무엇인가?