G.P.区的形成与结构分析

在Al-Cu合金中，G.P.区代表Cu原子的偏聚区，为纪念Guinier和Preston的工作而得名。但现在G.P.区一词已成为通用名词了，可用来泛指任何固溶体中的溶质原子偏聚区。

Guinier和Preston于1938年分别独立地分析了Al-Cu合金时效初期的单晶体，发现在母相α固溶体的{100}面上出现一个原子层厚度的Cu原子聚集区，由于与母相保持共格联系，Cu原子层边缘的点阵发生畸变，产生应力场。G.P.区具有以下特点：①在过饱和固溶体的分解初期形成，且形成速度很快，通常为均匀分布；②其晶体结构与母相过饱和固溶体相同，并与母相保持第一类共格关系；③在热力学上是亚稳定的。

Al-Cu合金中G.P.区的显微组织及其结构模型如图17-2所示。结构模型为G.P.区的右半部（左半部与其对称）的横截面，图面平行于Al原子点阵的（100）α面，而与（010）α和（001）α面垂直。Cu原子层在（001）α面上形成，这是因为<001>α方向上的弹性模数最小。Cu原子的半径较小，约为A1原子半径的87%，所以Cu原子层附近的A1原子层将沿[001]α方向以Cu原子层为中心向内收缩。最邻近Cu原子层的A1原子层的收缩量最大，与Cu原子层的间距为d1，小于原始A1原子间距d0；次近邻各A1原子层亦有不同程度的收缩。距离Cu原子层越远，A1原子层的收缩量就越小，其影响范围约为16个A1原子层。

由于G.P.区与母相保持共格，故其界面能较小，而弹性应变能较大。因此，G.P.区的形状与溶质和溶剂的原子半径差有关。根据计算，当析出物体积—定时，其周围的弹性应变能按球状→针状→圆盘状的顺序依次减小。一般认为，当溶质与溶剂的原子半径差不大于3%时析出物呈球状，而当原子半径差大于5%时析出物呈圆盘状。由于Cu与A1的原子半径差约高达11.5%，故在Cu原子层形成时产生的弹性应变能较大，因而A1-Cu合金中的G.P.区呈圆盘状。而A1-Ag和Al-Zn合金中，溶质和溶剂的原子半径差很小，G.P.区形成时所产生的弹性应变能较小，所以G.P.区呈球状。(www.xing528.com)

图17-2　Al-Cu系合金中G.P.区（图（a））及其机构模型（图（b））

G.P.区的大小与合金成分、时效温度和时效时间等因素有关。例如，A1-Cu合金在25℃时效时，G.P.区直径<5nm；100℃时效时，G.P.区直径为15～20nm；而在200℃时效时，G.P.区直径可达80nm。在25～100℃时效时，G.P.区的厚度约为0.4nm。

试验证明，G.P.区的数目比位错数目（密度）要大得多。据此认为，G.P.区的形核主要是依靠浓度起伏的均匀形核，而依靠位错的不均匀形核则不起主要作用。