The driving force for discontinuous precipitation and its kinetic theory were investigated in terms of the diffusional coherency strain energy. Because the discontinuous precipitation has deleterrious effect on the mechanical and physical properties of materials, controlling the reaction has been major problem of alloy design. This thesis thus aimed at controlling the discontinuous precipitation in a systematic manner.
The diffusional coherency strain hypothesis as the driving force for the reaction was tested in chapter III. Fe has been added at varying concentration to the matrix of the liquid phase sintered Mo-Ni specimens before heat-treatment to induce the discontinuous precipitation at 1300℃. The discontinuous precipitation is observed to be suppressed by the grain boundary diffusion of Fe and does not occur at all when the Fe concentration in the solidified matrix is increased to a certain range, where the coherency strain energy is estimated to be close to the minimum value of 0. The result thus shows that the coherency strain energy is the driving force for the discontinuous precipitation. When the Fe concentration in the matrix is high, the chemically induced grain boundary migration (CIGM) occurs due to the predominant effect of Fe diffusion, producing a tensile coherency stress.
In chapter IV, ternary element addition effect which has been considered as a possible method to control the reaction was predicted in terms of the coherency strain model and the prediction was experimentally tested in Cu-Ag-Co alloys of various Co concentrations. The rate of discontinuous precipitation was observed to show nearly parabolic dependence on the content of Co added with minimum value of 0 in a specimen of certain content of Co. This result consistent with the prediction based on the coherency strain model can suggest the guideline to control the reaction; in order to suppress the discontinuous precipitation, ternary element must be selected to decrease the diffusional coherency strain. Furthermore, the rate of discontinuous precipitation would be 0 only when the diffusional coherency strain energy becomes 0. This result thus shows that the cohereny strain model can provide a useful tool to select the ternary element to be added adn its content in order to suppress the discontinuous precipitation.
In chapter V and VI, the kinetic theory on the discontinuous precipitation and CIIM was suggested on the assumption of finite grain boundary mobility and finite grain boundry diffusivity. In this model, migrating grain boundary shape in steady state could be calculated by relating the local driving force with the local grain boundary velocityand by using the assumption of uniform velocity along the grain boundary. It could be shown that the formation of grain boundary recess when large lamellar spacing in discontinuous precipitation and thick specimen in CIIM is the natural consequence of the difference in the driving force along the grain boundary due to the limited grain boundary diffusivity. Using these kinetic models, the driving force for the discontinuous precipitation reaction of Pb-Sn alloy and chemically induced grain boundary migration of Mo-Ni alloy were quantitatively tested. The calculated reaction rate and grain boundary shape were consistent with the observed values when coherency strain energy was used as the driving force. However, using the chemical free energy difference as the driving force made the calculated velocity much larger than observed values and the grain boundary shape have much larger recess. These result again confirm that the driving force for discontinuous precipitation and CIIM is the diffusional coherency strain energy.
불연속 석출의 구동력과 그 반응 속도론을 coherency strain energy의 관점에서 연구하였다. 불연속 석출은 많은 실용 합금의 기계적, 물리적 성질에 주로 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있어서 이 현상의 조절이 매우 긴요한 문제가 되어 왔다. 따라서, 이 논문의 궁극적인 목표는 이 현상을 체계적으로 조절하는 방법을 제시하고자 하는 것이다.
Diffusional coherency strain energy가 이 현상의 구동력임을 3 장에서 보였다. 액상 소결된 Mo-Ni 시편의 액상을 통해 여러 조성의 Fe를 첨가하고, 이 시편을 1300℃에서 열처리하면서 불연속 석출의 거동을 관찰하였다. 불연속 석출은 Fe가 입계를 따라 확산함에 따라 억제 되었으며, Fe 조성이 증가하여 coherency strain이 0이 되는 조건에서는 불연속 석출이 전혀 관찰되지 않았다. 따라서 이 결과는 coherency strain energy가 불연속 석출의 구동력임을 보여 준다. 액상내의 Fe 농도가 높은 경우에는 tensile coherency strain을 형성하는 Fe 효과가 지배적으로 작용하여, 화학적 불안정성에 의한 계면이동 현상이 일어난다.
4 장은 불연속 석출의 매우 효과적인 조절 방법으로 알려져 온 제삼 원소 첨가에 관한 연구이다. 불연속 석출의 구동력이 coherency strain energy이며 제삼원소는 그 구동력을 변화 시킨다는 관점에서 이 효과를 예측하였으며, 이를 Cu-Ag-Co계에서 첨가된 Co의 양을 변화시키면서 실험적으로 검증하였다. 불연속 석출의 속도는 첨가된 Co의 양이 증가됨에 따라 감소하여 0이 되었으며, 그 이상의 Co가 첨가되면 다시 불연속 석출이 일어난다. 이 결과는 coherency strain model의 예측과 일치하는 것으로, 불연속 석출을 억제하기 위해서는 coherency strain을 감소 시킬 수 있도록 제삼 원소의 종류와 양을 결정해야 함을 보여준다. 또한, coherency strain이 0이 되면 불연속 석출이 전혀 일어나지 않음을 보여 줌으로써, coherency strain model을 바탕으로 불연속 석출의 제어 방법을 예측할 수 있게 되었다.
5 장과 6 장에서는 각기 불연속 석출과 CIIM의 kinetic이론을 유한한 입계 mobility 그리고 유한한 입계 diffusivity를 가정하여 제안하였다. 이 이론에서는 이동하는 입계의 모양을 예측할 수 있었다. 불연속 석출에서 lamellar spacing이 큰 경우와 CIIM에서 시편의 두께가 큰 경우에 생기는 입계 recess 현상은 입계를 따라 구동력의 차이가 큰 경우에 생기는 현상임을 보일 수 있었다. 이 kinetic이론에 의해 Pb-Sn계의 불연속 석출과 Mo-Ni계의 CIIM 현상의 구동력을 정량적으로 시험하였다. 계산된 반응 속도와 입계 모양은 coherency strain energy를 구동력으로 하였을 때 측정된 값들과 잘 일치하였으며, chemical free energy를 구동력으로 사용하였을 때에는 훨씬 큰 반응 속도와 심한 입계 recess를 갖는 것으로 계산되었다. 이는 CIIM 및 불연속 석출의 구동력이 coherency strain energy임을 다시 한번 확인하는 결과이다.
