Microstructural development and phase transformation have been studied in liquid-phase and solid-state sintering. Since all physical properties of the materials are related to their microstructure, understanding and thereby controlling the microstructure is essential for the improvement of the properties of the materials.
In part one, the development of the liquid pocket within Fe grains in the liquid-phase sintered Fe-Cu alloy was studied. Since the grain boundary breaking away from the dihedral junction is energetically impossible during liquid-phase sintering, the formation of the liquid pocket was attributed to the solid-state grain boundary migration during heating, and was experimentally verified. The specimens prepared to have favorable conditions for extensive grain boundary migration in the solid-state (such as high compacting pressure and slow heating rate) contained a much larger number of the liquid pockets than those normally prepared. Two mechanisms were suggested for the formation of the liquid pocket. One is the solid-state trapping of Cu by the Fe grain during heating. The other is the development of the C-shaped Fe grain in the solid-state, which eventually leads to the formation of liquid pockets during liquid-phase sintering by solution and reprecipitation. This is because the interior part of the C-shaped Fe grain has a negative curvature.
In part two, the massive transformation of the Fe grain in the liquid-phase sintered Fe-Cu alloy was studied. The non-oriented growth of the massive ferrite was observed regardless of slow cooling (even at 0.1℃/sec). The typical mode of massive growth was also observed in a specimen held for 48 hours at 810℃. In this case, the driving force for the massive transformation did not exist for the initial composition of the Fe particle. The continuous precipitation of Cu-rich epsilon phase was regarded to be responsible for such an isothermal massive reaction. During isothermal holding at 830℃, however, the massive transformation did not proceed. This is because the composition of the gamma phase in metastable equilibrium with the epsilon phase fell into the metastable alpha + gamma two-phase region.
In part three, the effect of heating rate on the densification and grain growth in pure and 1000 ppm MgO doped alumina was studied. In the heating stage, marked differences in grain size were observed under varying heating rates, while the density was quite insensitive to heating rates. The point density phenomenon was satisfactorily explained by considering grain growth in the heating stage. In slow heating, the resulting large grain size lowered the densification rate and vice versa in the fast heating, leading to the insensitivity of density to heating rate.
In part four, transformation toughening in $Al_2O_3-ZrO_2$ was studied. Since the addition of stabilizer reduces not only martensitic start temperature (Ms) but also deformation-induced transformation temperature (Md), the stabilizer would reduce the amount of transformable zirconia during crack propagation. It was experimentally shown that the fracture toughness ($K_{ℓc}$) did not depend on the initial amount of retained tetragonal zirconia but on the amount of the zirconia transformed during deformation.
액상소결과 고상소결에서 미세구조의 전개와 상변화에 관하여 연구하였다. 재료의 모든 물리적인 성질이 미세구조와 관련되므로 이러한 미세구조를 이해하고 조절하는 것이 주어진 재료의 요구되는 성질을 개선시키는데 필수적이 될 것이다.
첫째 part에서는 액상소결한 Fe-Cu합금에서 Fe입자내부에 존재하는 액상 pocket에 관하여 연구하였다. 이러한 현상은, 입계가 dihedral juction으로 부터 떨어져 나가는 것이 에너지적으로 안정하지 못하므로, 가열중 고상 상태에서의 입계이동에 기인함을 실험적으로 보였다. 고상상태의 입계이동이 촉진되도록 하는 조건(예로, 높은 성형압력 혹은 늦은 가열속도)의 시편에서는 보통의 경우보다 액상 pocket이 훨씬 많이 형성되었다. 이런 액상 pocket의 형성기구로서 두가지 가능성이 제시되었다. 그 첫째로는 고상상태에서 Cu가 Fe에 가열중 trap될 가능성이 다른 기구로는 고상상태에서 Fe grain이 C - shape를 갖게 되어 Fe grain 성장중에 액상이 trap될 가능성이 제시되었다. 본 실험의 결과 후자의 경우가 지배적임을 알 수 있었다.
둘째 part에서는 액상소결한 Fe-Cu합금에서 Fe입자내의 massive 변태에 관해 연구하였다. massive변태는 낮은 냉각속도 (0.1℃/sec)에 관계없이 일어났다. 액상소결에서의 Fe grain 조성으로서는 massive변태의 구동력이 존재하지 않는 810℃에서 48시간 유지함으로써도 massive변태가 관찰되었다. 이러한 현상은 Cu가 많은 ε phase가 석출함에 기인하는 것으로 보인다. 그러나 830℃에서 등온유지한 경우에는 massive 변태가 일어나지 않았다. 이러한 현상은 ε phase와 metastable한 평형을 이루고 있는 γ phase의 조성이 metstable α와 γ의 이상영역 (two phase region) 내에 존재하기 때문이다.
세번째 part에서는 순수한 $Al_2O_3$와 $MgO$가 1000ppm doped된 $Al_2O_3$의 densification과 입자성장에 미치는 가열속도의 영향에 관하여 연구하였다. 밀도는 가열속도에 민감하지 않았지만 입자크기는 가열속도에 따라 상당한 차이를 나타내었다. point donsity 현상은 가열단계에서의 입자성장을 고려함으로써 잘 설명될 수 있었다. 낮은 가열속도에서는 grain size가 커지고 따라서 densification 속도는 감소하였고 빠른 가열속도의 경우 grain size가 작아지고 따라서 densification 속도가 증가하였다.
네 번째 part에서는 $Al_2O_3 - ZrO_2$ 계의 transformation toughening 현상에 관해 연구하였다. Stabilizer의 첨가는 martensitic start temp (Ms)뿐 아니라 deformation induced transformation temp. (Md)도 낮추기 때문에 crack 전파에 의해 변태될 수 있는 $ZrO_2$의 양을 감소시킬 것이다. 실험적으로 fracture toughness($K_{Ic}$)는 남아있는 tetragonal zirconia 초기량에 의존하는 것이 아니라 deformation중 변형된 $ZrO_2$ 양에 관계됨을 알 수 있었다.
