결정립계 (grain boundary) 의 의미와 이동

결정립계 (grain boundary) 란?

다결정 (polycrystalline)의 고체 물질에서 결정립계는 물질을 구성하는 개별의 결정립들 사이의 계면 또는 경계를 나타냅니다. 결정립은 원자가 정렬되고 반복적인 패턴으로 배열된 물질의 영역입니다. 결정립계는 일반적으로 한 결정립의 정렬된 결정 격자가 다른 결정립의 정렬된 결정 격자와 완벽하게 정렬되지 않아 경계에서 구조의 불연속성을 초래하기 때문에 재료의 결함으로 이해할 수도 있습니다. 결정립계는 인접한 두 결정립 사이의 불일치 영역으로 볼 수 있습니다.

 

결정립계의 특성

입자 경계는 기계적 강도, 전기 전도도, 열 전도도 및 내식성과 같은 재료의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 결정립 경계의 특성은 기울기, 비틀림, 틀어진 방향의 각도, 불순물 또는 기타 결함의 존재와 같은 특성에 따라 달라집니다.

일반적으로 결정립계는 재료 내 원자 또는 기타 결함의 이동에 대한 장벽 역할을 할 수 있습니다. 이는 입계 강화와 같은 효과로 이어질 수 있으며, 여기서 결정립계의 존재는 재료의 강도를 증가시킵니다. 또한 결정립계는 확산, 편석 및 다양한 유형의 원자 재배열을 위한 사이트 역할을 할 수 있습니다. 

 

결정립계의 각도에 따른 구분

결정립의 방위 (orientation)의 차이에 따라 결정립계를 구분할 수 있습니다. 15도를 기준으로 고각 결정립계 (High angle grain boundaries, HAGBs)와 저각 결정립계 (Low angle grain boundaries, LAGBs)로 구분할 수 있습니다.

HAGBs에서는 일반적으로 더 무질서한 원자 배열을 가지고 있으며 전위 및 기타 결함의 움직임에 대한 장벽으로 작용할 수 있으므로 재료의 기계적 특성에 중요합니다. 반면에 LAGBs는 종종 변형 영역과 관련이 있으며, subgrain boundary로 부르기도 합니다. LAGB의 존재는 재료의 기계적 특성을 감소시킬 수 있습니다.

결정립계 [1]

 

결정립계의 이동 (migration)

결정립계의 이동에서 HAGBs의 이동은 재결정과 결정립 성장에 직접적인 영향을 주게 됩니다. 반면 LAGBs의 이동은 회복과 재결정의 핵생성에 영향을 주게 됩니다. 결정립계의 이동은 결정립계에 작용하는 압력에 의해 움직이게 됩니다. 저각 결정립계의 이동성은 결정립계 내의 확산 속도에 따라 결정이 되고, 각도에에 따른 영향도 받게 됩니다. 저각 결정립계의 경우 전위 (dislocation)의 모임으로 구성되기 때문에 전위의 이동에 대한 이론에도 영향을 받게 됩니다. 고각 결정립계의 이동은 이웃한 결정립의 원자의 이동에 따라 결정됩니다. 따라서, 결정립계의 구조, 결정립에 대한 결정구조, 불순물 원자 및 온도 등에 따라 영향을 받게 됩니다. 마르텐사이트 (martensite) 생성 시의 무확산 변태와 같은 특정 조건에서도 발생 가능합니다. 결정립의 성장 (grain growth)은 제너 피닝 (Zener pinning)에 의한 2차상에 의해 억제 될 수 있습니다. 열처리 중 재결정이나 결정립계의 성장을 방지를 위해 Zener pinning effect를 이용하기도 합니다.

 

결정립계는 재료 내에 정렬된 결정립의 존재와 각 결정립들 간의 방위 차이 (misorientation) 로 인해 발생하는 특징입니다. 결정립계의 특성은 재료의 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 특정한 특성과 재료의 적용에 따라 재료의 기계적, 전기적 특성에 큰 영향을 미치게 됩니다.

 

참고

[1] Brian S. Mitchell, AN INTRODUCTION TO MATERIALS ENGINEERING AND SCIENCE