전위와 소성변형

전위와 소성변형

 

완전한 결정의 이론적 강도는 실제 측정 강도보다 매우 크다. 1930년 경에는 이러한 강도의 차이를 선 결정 결함으로 ㅅ러명할 수 있었으며, 1950년경에 이르러서야 전자현미경으로 이러한 전위를 직접 관찰 할 수 있게 되었다. 그 이후 결정 재료(주로 금속 및 세라믹)의 많은 물리적, 기계적 현상을 전위 이론으로 설명할 수 있게 되었다. 

 

 

기본 개념 

 

전위(dislocation)의 기본적인 두 가지 형태는 칼날(edge) 전위와 나사(screw)전위이다. 칼날 전위에 있어, 전위선(dislocation line)으로 정의되는 과잉 반쪽 원자면의 끝단을 따라 국부적인 격자 뒤틀림(lattice distortion)이 존재한다. 나사 전위는 전단 뒤틀림에 의해 나타나며, 나사 전위의 전위선은 나선형의 원자면 램프(ramp)의 중심을 갖고 있는 혼잡 전위(mixed dislocation)이다. 

 

미시적 관점에서의 소성변형에는 많은 전위들의 움직임이 수반된다. 칼날 전위는 전위선에 수직으로 작용하는 전단 응력에 따라 움직인다. 전단 응력이 작용하면, 처음의 과잉 반쪽 원자면은 오른쪽으로 밀게 된다. 전단 응력이 충분하다면, 원자견 결합은 그다음면, 다음면 등을 순차적으로 밀게 된다. 따라서 첫 번째 전위가 발생하는 면의 아래 반쪽면과 그 옆면의 반쪽 면과 결합하게 됨으로써, 두 번째 면의 반쪽 면이 과잉 반쪽 면이 된다. 이와 같은 과정은 나머지 다른 면들에 연쇄적으로 일어나게 되어, 과잉 반쪽 면은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 된다. 전위가 결정에 어느 특정 부위를 지나기 전이나 후에는 원자 정렬이 규칙적이며 완전하다. 단지 과잉 반쪽 면이 움직일 때에만 격자 구조가 뒤틀린다. 최종적으로는 과잉 반쪽 면이 완전히 오른쪽으로 움직여 원자 간 거리의 폭만큼 가장자리 층을 형성하게 된다. 

 

 

슬립(slip)

 

전위의 움직임에 따른 소성변형 과정을 슬립(slip)이라 하고, 전위선이 가로지르는 면을 슬립면(slip plane)이라 한다. 거시적 관점에서의 소성변형이란 전위의 움직임, 즉 슬립에 따른 영구 변형을 뜻한다. 

전위의 움직임은 자벌레의 움직임과 유사하다. 자벌레는 끝다리 부분을 끌어 당겨 뒤쪽에 산 모양을 만든 후에 다리를 들어 올리고 움직이는 동작을 반복함으로써 이 산 모양을 앞으로 전진 시킨다. 이 산 모양이 맨 앞쪽에 도달하게 되면, 자벌레는 다리사이의 간격만큼 앞으로 전진하게 된다. 자벌레의 산 모양과 이의 움직임은 소성변형 전위 모델의 과잉 원자면에 대응한다. 

 

작용 전단 응력에 따른 이동방향은 응력방향에 수직인 반면에, 칼날 전위는 전단 응력에 평행하게 움직인다. 그러나 최종 소성 변형량은 서로 같다. 혼합 전위의 이동 방향은 작용 응력에 수직도 아니고 평행도 아니며, 그 중간이다. 

 

실제적으로 모든 결정 재료에는 응고 과정이나 소성변형 혹은 급속 냉각에 따른 열응력으로부터 생성된 전위가 포함되어 있다. 전위의 수, 즉 전위밀도(dislocation density)는 단위체적당 총 전위 길이, 또는 무작위로 선정단 단위면적을 관통하는 전위 수로 표현한다. 전위 밀도의 단위는 mm^3 당 전위는 mm 또는 그냥 mm^(-2)이다. 주위를 기울여 만든 금속 결정의 전위 밀도도 10^3mm^(-2)이나 된다. 매우 크게 소성변형이 일어난 금속의 전위 밀도는 10^9 ~ 10^10mm^(-2)이다.

 

 

전위의 특성

 

전위의 특성은 금속의 기계적 성질의 측변에서 특히 중요한데, 전위의 기동성뿐만 아니라 전위의 증가에도 영향을 미친다. 또한 전위 둘레에 존재하는 변형장(strain field)도 전위 특성 중의 하나이다. 

금속에 소성변형을 가하면 소성 에너지의 약 5%만 내부에 남고, 나머지는 열로 분산되어 버리는데, 내부에 남은 저장 에너지의 대부분은 전위와 관련된 변형률 에너지이다. 

칼날 전위는 이미 언급한 바와 같이, 과잉 원자면으로 인하여 전위선 주위에 약간의 원자 뒤틀림이 존재한다. 결과적으로 근처 원자에 압출, 인장 및 전단 성분의 격자 변형률이 부과되고, 전위선은 바로 위나 가까이에 있는 원자들은 서로 조이게 된다. 그러므로 이러한 원자들은 완전한 결정에서의 원자 또는 전위선에서 멀리 떨어져 있는 원자들에 비해 압축 변형률이 나타나게 되고 전위선 아래쪽은 반대로 인장 변형률이 걸리게 된다. 또한 칼날 전위 부근에는 전단 변형률도 역시 존재한다. 그러나 나사 전위의 격자 변형률은 순수 전단뿐이다. 

이러한 격자 뒤틀림은 전위선으로부터 방사해나가는 변형장으로 볼 수 있으며, 변형률은 주위 원자들로 전파되고, 그 양은 전위로부터의 원주 거리에 따라 감소한다. 

 

 

(출처) 시그마 프레스 재료과학과 공학 제7판