전위와 슬립 변형 / dislocation and slip deformation

일반적으로 재료의 역학적 성질 또는 기계적 성질은 재료의 거시적, 미시적인 구조와 조직에 크게 의존한다. 금속재료의 대부분은 원자가 3차원적으로 규칙적으로 배열된 결정의 형태로 존재한다. 이러한 재료의 역학적 성질을 이해하기 위해서는 격자 결함, 특히 전위에 대한 지식이 중요하다. 

완전 결정(perfect crystal)의 이상전단강도의 크기는 이론적으로 계산할 수 있다. 각종 금속단결정의 CRSS (critical resolved shear stress)를 실험적으로 구하게 되면 완전 결정의 이상전단강도의 1/1,000이나 1/10,000정도의 작은 값이 된다. 과거 대략 1930년대 이전에는 실험결과와 이론 계산치의 차이의 이유를 알 수 없었던 시대도 있었지만, 1930년대에 격자결함의 종류인 전위 (dislocation)의 개념이 제시되면서 그 차이에 대한 이해가 되기 가능해졌다. 

그림1 완전 결정의 슬립변형 [1]

그림1과 같이 슬립면의 상하의 결정원자가 일제히 밀려 변형이 일어나는 것이 아니라 그림2와 같이 각각의 원자의 조금씩의 위치 이동에 의해 국소적으로 슬립이 진행되면, 이상강도 보다 훨씬 작은 응력에서 슬립 변형이 가능해 진다. 그림2에서 양쪽 끝의 결정은 완전결정이지만, 가운데 2개의 결정은 국소적으로 원자 배열이 떨어져 있는 부분이 존재하는데, 이 부분이 전위이다. 원자 배열이 가장 어긋나 있는 부분은 가운데 두 결정에서 "ㅗ"의 기호가 있는 부분인데, 이것을 전위의 중심 (dislocation core)라고 한다. 3차원의 결정 중에서 "ㅗ"의 부분은 선형의 연결이 되고, 그 바로 위의 원자배열이 슬립면보다 위쪽으로 원자면이 절반이 더 있게 되는데, 이것을 extra half plane이라 한다.

extra half plane에 대한 추가 설명은 다음 페이지에서 확인 가능하다.

https://sciencetech.tistory.com/2?category=907805 

전위와 소성변형

그림2 외부 전단 응력 하에서의 결정의 슬립변형과 전위의 이동 [1]

전위는 슬립면 위에서 이미 슬립이 일어난 영역과 아직 슬립이 일어나지 않은 영역의 경계선으로 정의가 가능하다. 그림2의 원자의 모임을 결정 전체로 생각해보면, 결정의 왼쪽에서부터 슬립이 시작하여, 전위가 왼쪽 표면에서부터 결정 내부로 도입된다. 전위가 오른쪽으로 이동함에 따라 슬립변형이 전해져, 최종적으로 결정전체에서 슬립이 일어나게 되면 전위는 오른쪽 면에서 소멸한다. 이 과정 중에 어디에서든 원자의 총수는 변화하지 않기 때문에 전위는 실제로 존재하는 물체로 정의하기는 어렵고, 선형으로 연결된 원자 배열의 어긋남의 일종으로 이해하는 것이 좋다.

예를 들어 그림2의 가운데 두 결정 그림 중 하나만 가지고는 전위의 운동 방향을 알 수 없다. 그림에서는 전위가 오른쪽 방향으로 이동하는 것 같은 전단응력이 가해지고 있지만, 반대 방향의 전단응력에 의해서는 왼쪽 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 슬립이 일어난 영역과 아직 슬립이 일어나지 않은 영역의 경계선이라고 하는 정의는, 단지 개념으로서의 정의이다.

 

참고자료

[1] 加藤雅治: "入門転位論", 裳華房 (1999)