GPゾーンとは
じーぴーぞーん
時効の初期に、溶質原子が母相の特定の面に1〜数原子層の板状に集まった領域。母相と整合で、アルミニウム合金の自然時効の硬化を担う。
「GPゾーン」は、2分野の2問の練習問題に出てきます(非鉄金属材料, 熱処理と金属材料など)。
この用語の分野: 非鉄金属材料
発見と名前
1906年にヴィルムは、Al-Cu-Mg合金を焼入れしたあと室温に置くと、数日かけて硬くなることを見つけましたが、光学顕微鏡では組織の変化が見えず、原因は長く謎でした。1938年にギニエとプレストンが、それぞれ独立にX線の散漫散乱を調べ、母相の中に溶質原子が集まった極めて小さな領域ができていることを示しました。この領域が、2人の名前をとってGPゾーンと呼ばれています。のちに透過電子顕微鏡で直接観察され、時効硬化の仕組みを原子の尺度で理解する出発点になりました。
形と整合性
Al-Cu合金のGPゾーンは、母相の{100}面の上にCu原子が1層から数層集まった、直径数nmの円板です。結晶構造は母相のFCCのままで、Cu原子がAl原子より小さいために周りの格子がひずみ、このひずみが転位の動きを妨げます。界面は完全に整合なので界面エネルギーが小さく、核生成の障壁が低いので、母相の中に非常に高い密度でできます。Al-Zn-Mg系では球形、Al-Mg-Si系では、のちに針状の析出物になる前の段階の原子の集まり(クラスター)ができるなど、合金によって形が違います。
時効の進み方の中での位置
GPゾーンは析出の順序の最初の段階で、Al-Cu系では GPゾーン → θ'' → θ' → θ と、時効とともに整合から半整合、非整合へと変わっていきます。室温でGPゾーンができるのは、溶体化処理の温度から急冷して残った過剰な空孔がCu原子の拡散を助けるからです。GPゾーンは、温度を上げると溶けて消える上限の温度(固溶線)をもち、それより高い温度で人工時効すると、GPゾーンを経ずに中間相が直接析出することもあります。自然時効した材料を短時間加熱すると軟らかくなる復元現象も、GPゾーンの溶解によるものです。
GPゾーンの練習問題に挑戦
Al-Cu合金を溶体化処理して急冷したあと時効すると、析出物はおよそ GPゾーン → θ'' → θ' → θ(Al₂Cu)の順に変わる。GPゾーンについての説明として正しいものはどれか。
- A母相の{100}面に沿ってCu原子が1〜数原子層の円板状に集まったもので、母相と完全に整合し、室温の時効でもできる
- B粒界に沿ってCuが欠乏した幅の狭い領域で、析出物ができないので、粒界の近くが軟らかくなる原因になる
- C平衡相のθ(Al₂Cu)が粒内に粗く析出したもので、母相と非整合な界面をもち、過時効の段階で現れる
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正解：A. 母相の{100}面に沿ってCu原子が1〜数原子層の円板状に集まったもので、母相と完全に整合し、室温の時効でもできる
急冷で過飽和になったCu原子は、まず母相の{100}面に集まり、厚さ1〜数原子層、直径数nmの円板状のGPゾーンをつくります。結晶構造は母相のままで完全に整合し、界面エネルギーが小さいので核生成の障壁が低く、急冷で残った過剰な空孔に助けられて室温でもでき、自然時効の硬化を担います。時効が進むと、整合や半整合の中間相θ''、θ'を経て、非整合で粗い平衡相θになり、過時効で軟化します。粒界の近くでCuや空孔が減って析出物ができない帯は無析出帯(PFZ)で、GPゾーンとは別のものです。粗いθはGPゾーンではなく、時効の最終段階の平衡相です。
よくある質問
GPゾーンと析出物は違うものですか。
GPゾーンは、母相と同じ結晶構造のまま溶質が集まった領域で、独立した相とはみなさないのがふつうです。θ'やθのように、母相と違う結晶構造をもつ粒子を析出物と呼んで区別します。
GPゾーンで強くなるのはなぜですか。
転位がGPゾーンを切って通るときに、ひずみの場に逆らう仕事や、新しい界面をつくる仕事が要るからです。GPゾーンは非常に細かく密にあるので、転位が頻繁に引っかかります。
自然時効した材料が人工時効の妨げになることはありますか。
6000系の合金では、溶体化処理のあと室温に長く置くと、そのあとの人工時効で到達する強さが下がることがあります。そのため、工程の中で室温の放置時間を管理します。
解説の中の「GPゾーン」
急冷で過飽和になったCu原子は、まず母相の{100}面に集まり、厚さ1〜数原子層、直径数nmの円板状のGPゾーンをつくります。
Al-Cu合金を溶体化処理して急冷したあと時効すると、析出物はおよそ GPゾーン → θ'' → θ' → θ(Al₂…その後、室温(自然時効)や100〜200℃程度(人工時効)に保持すると、GPゾーン、θ″相、θ′相といった微細で母相と整合・半整合な析出物ができ、転位の運動を妨げて強度が上がります。
Al-Cu合金(ジュラルミン系)の析出硬化処理の手順として正しいものはどれか。