전위와 소성변형

전위 주변에 존재하는 금속이나 합금은 결정질 상태이다. 결정의 소성변형(plastic deformation)을 미시적 관점에서 보면, 결정학적인 면에 따라 특정의 방향으로 원자가 이동하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 면을 슬립면(slip plane), 방향을 슬립방향(slip direction)이라고 한다. 일반적으로 금속의 결정내부에는 원자가 원자의 배열 선상에서 벗어난 영역이 존재하고, 이러한 선결함(line defect)을 전위(dislocation)이라고 부른다. 결정의 소성변형은 전위가 있는 특정의 슬립면에 대해 특정의 슬립방향으로 이동하는 전단변형(shear deformation)으로 이해할수 있다. 전위의 구조와 이동에 대해서 이해가 필요하다. 

그림1 단순입방정격자에 존재하는 edge dislocation의 원자 배열 [1]

 

그림 1은 단순 입방정에 존재하는 edge dislocation의 원자 배열을 3차원으로 나타낸 것이다. 원자가 나란히 있는 면을 상하방향에서 보면 위쪽의 결정은 6개의 면이 존재하고, 아래쪽에서는 5개의면이 존재한다. 그 중 중앙에 상단 원자면(extra half plane)에만 존재하지 않는 영역이 보인다. 이 extra half plane의 하단부는 결정의 배열이 깊이 방향에 따라 흐트러진 구조로되어있다. 이 선상의 격자 결함을 칼날 전위(edge dislocation)라고 하고, extra half plane에 원자 배열이 흐트러진 영역을 전위선(dislocation line)이라고 부른다. 이 칼날전위는 종종 "ㅗ"기호로 표시되고 세로 막대는 extra half plane을 나타내고, 가로 막대는 미끄럼면을 나타낸다. 칼날전위가 도입됨에 따라 상단 extra half plane의 원자의 순서에 어긋남이 발생하는 것을 알 수있다. 이 원자 위치의 어긋남의 양과 방향을 나타내는 것이 Burgers vector이다. 칼날전위의 경우, Burgers vector와 전위선은 수직이 된다.
전위선에는 여분의 원자가 한층 더 삽입되어 있다고 볼 수있다. 따라서 전위 중심부(dislocation core)는 매우 커다란 격자 변형 (lattice strain) 및 그에 따른 응력을 받게 된다. 그림 2는 전위 주위의 응력장과 부호(sign)가 동일하거나 다른 두 전위 사이의 상호작용을 모식적으로 나타낸 것이다. Extra half plane을 포함한 상부 결정의 dislocation core 주위는 압축의 힘(compression)이 작용하게 되고, 하단의 결정 주위는 인장의 힘(tension)이 주어지게 된다. 이 전위 주위의 응력 상태는 탄성론을 바탕으로 정량화할 수 있다. 이러한 특징으로 인해 그림3과 같이 동일한 부호 (ㅗ과 ㅗ)을 가진 2개의 전위는 압축 응력(하단의 결정에 인장 응력) 간의 상호 작용에 의해 반발한다. 한편, 다른 부호 (ㅗ과 ㅜ)를 가진 2개의 전위는 압축 응력과 인장 응력과의 상호 작용에 의해 끌어 당기게 된다. 동일 슬립면 위에서 다른 부호의 전위가 겹치면 서로의 extra half plane을 공유하기 위해 전위는 소멸된다. 즉, 완전 결정이 된다. 전위 주변의 상세한 응력 상태는 탄성론을 바탕으로 정량화된다.

그림2 전위 주위의 응력장에 대한 모식도 [1]

그림3 2개의 전위 사이의 상호작용 [1]

그림 3은 단순 입방정의 결정 격자 내에 존재하는 나선 전위(screw dislocation)의 원자 배열을 나타낸다. 그림 중간의 붉은 선이 전위선을 의미한다. 그림의 결정 격자의 왼쪽 전면에서 전위선보다 오른쪽 상단의 결정은 하부 결정에 대해 1격자 만큼 어긋나 있는 것을 알 수 있다. 전위선 주위를 일주하면 (그림 3 (a)) 1격자 분의 차이가 생긴다. 이 차이는 나선전위의 버거스 벡터에 상당한다. 따라서 나선전위의 전위선과 버거스 벡터는 평행이 된다.

그림 4 단순입방정의 결정 격자 중에 존재하는 나선전위의 원자 배열 [1]

 
참고문헌

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering

[2] 전위와 슬립변형 / dislocation and slip deformation