격자 결함 (Lattice defect)

격자 결함과 전위

일반적으로 재료의 역학적 성질 또는 기계적 성질은 재료의 거시적, 미시적인 구조와 조직에 크게 의존한다. 기계공학이나 건축, 토목공학에서는 재료의 강도가 어느 정도인지에 대한 관심에서부터 시작하는 경우가 많지만, 재료공학에서는 무엇이 강도를 결정하는 것인지에 대한 궁금증에서 부터 시작한다고 볼 수 있다. 금속재료의 대부분은 원자가 3차원적으로 규칙적으로 배열된 결정의 형태로 존재한다. 이러한 재료의 역학적 성질을 이해하기 위해서는 격자 결함, 특히 전위에 대한 지식이 중요하다. 

 

여러가지 격자결함

금속재료와 무기재료의 대부분은 구성원자가 3차원적으로 규칙적인 배열을 하고 있는 결정을 이루고 있다. 원자 배열의 규칙성이 완전한 이상적인 결정을 완전결정 (perfect crystal)이라고 하지만, 실제의 결정에서는 어느 정도 규칙성을 벗어난 불규칙성이 반드시 나타나게 된다. 이를 격자 결함 (lattice defect 혹은 lattice imperfection), 혹은 결정결함 (crystal defect)이라 한다. 이러한 격자 결함은 역학적 성질을 이해하는 중요한 키워드가 된다.

재료의 역학적 성질은 재료 내에서의 조직이나 격자 결함의 존재 상태에 강하게 영향을 받는다. 그래서 격자 결함의 존재 상태는 재료가 받은 열처리나 변형 등의 이력에 크게 의존하게 된다. 따라서, 재료의 이력을 모르면 역학적 성질을 알 수없게 된다.  반대로, 재료에 대해서 열처리나 변형 등을 가하는 것에 의해 재료의 역학적 성질을 여러가지로 변화시키는 것이 가능하다. 

 

금속재료를 만들 때, 대부분의 경우, 최초에 액상에서부터의 냉각과정이 이루어 지게 된다. 격자 결함은 이러한 냉각, 응고 (solidification) 과정과 소결, 압연, 가공 등의 변형에 의해 결정 내에 생기게 된다. 예를 들어 결정입계 (grain boundary)는 방위가 다른 결정 간의 계면을 말하는데, 액체에서부터 냉각, 응고 초기에는 많은 부분에서 미세한 고체 결정의 생성과 성장이 일어나, 많은 결정립 (grain)이 생기게 된다. 결정립의 방향은 각각 랜덤하게 되고, 이러한 결정립들이 성장, 합체하면서 완전한 고체가 되게 되면, 결정립들의 경계가 만들어 지게 되고, 이것이 결정립계 (grain boundary)이다. 일반적인 결정재료는 이러한 방위가 제각각인 많은 결정립에서부터 이루어진 다결정(polycrystal)이다. 결정립의 크기는 일반적으로 10-100μm 정도이고, 반면, 전체가 하나의 결정립으로 이루어진 것을 단결정 (single crystal) 이라고 한다.

 

점결함 (point defect) – 공공 (vacancy), 침입자 (interstitials), 불순물 (impurity)

 -. Vacancy: 격자점에서 원자가 하나 빠진 상태

 -. Interstitial atom: 격자점 중간에 원자가 들어가 있는 상태

선결함 (line defect) – 전위 (dislocation)

면결함 (plane defect) – 결정립계 (grain boundary), 적층결함(stacking fault)

 

이상적인 결정의 고체는 완전한 규칙적이고, 고정된 거리를 가지는 원자의 배열을 이루게 되지만, 일반적으로 대부분의 결정은 완전하지 않고, 결함으로 인해 패턴이 생길 수 있게 된다.

이상적으로 배열된 결정 내에서 원자나 이온의 결손이나 misalignment의 경우 crystal defect 혹은 solid defect라 한다. 이는 점, 선, 면의 형태로 나타나고, 구분할 수 있다.

 

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Supplemental_Modules_and_Websites_(Inorganic_Chemistry)/Crystal_Lattices/Lattice_Defects 

Lattice Defects

 

전위(dislocation): slip plane 위에서 이미 slip이 일어난 영역과 아직 일어나지 않은 영역간의 경계선으로 설명할 수있고, 이러한 경계선은 dilocation line이라고 한다. 이러한 전위에는 변형이 집중되게 된다. 재료의 강도에 직접적인 영향을 미치고, 소성변형에 직접적인 영향을 준다. 전위가 쌓이게 되면 내부 응력의 증가로 이어지고, 재료의 강도가 증가한다. 전위의 이동에 의해 재료 내부에서 전위가 외부로 빠져나가는 과정이 소성변형이라고 할 수 있다.

전위는 칼날전위(edge dislocation), 나선전위(screw dislocation), 혼합전위(mixed dislocation)으로 구분할 수 있다. 여기서 혼합전위는 전위선과 Burgers vector 사이의 각도의 관계가 칼날전위와 나선전위의 중간이 되는 전위를 의미한다.

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Dislocation

Dislocation - Wikipedia

 

전위의 고착 (dislocation locking)

칼날전위 주변의 용질원자가 모여서, 전위가 이동하기 어렵게 된 상태를 의미하고 Cottrell atmosphere라고 한다.