Portevin-Le Chatelier (PLC) 효과는 알루미늄, 마그네슘 및 일부 강철과 같은 특정 금속의 변형 거동이 특정 조건 하에서 불안정해지는 현상입니다. 금속이 소성 변형 (예: 인장 시험)을 받으면 응력-변형 곡선은 보통 응력이 변형과 함께 부드럽고 연속적으로 증가하는 것을 보입니다. 그러나 온도, 변형 속도 또는 합금 조성과 같은 특정 조건에서는 응력-변형 곡선이 부드럽게 변화하는 대신 세레이션이 나타날 수 있습니다.
PLC 효과의 원인
PLC 효과가 일어나게 되는 원인은 금속 내에서 이동하는 전위(dislocation)와 용질 원자 간의 상호작용과 관련이 있습니다. 망간 또는 실리콘과 같은 특정 용질 원소의 원자는 전위를 고정 (pinning)하여 응력 집중 및 국부적인 변형을 유발할 수 있습니다. 이것이 응력-변형 곡선에서 관찰되는 세레이션을 일으킬 수 있습니다. 세레이션의 진폭과 주파수는 온도, 변형 속도 및 용질 농도와 같은 다양한 요인에 따라 달라질 수 있습니다.
PLC 효과는 특정 조건에서 재료의 기계적 특성과 내구성에 영향을 줄 수 있기 때문에 재료 과학 및 공학 분야에서 중요합니다. 예를 들어 자동차 부품과 같은 일부 산업용 응용 분야에서 PLC 효과는 조기 고장 또는 성능 저하를 일으킬 수 있습니다. 따라서 PLC 효과를 유발하는 조건을 이해하고 제어하는 것은 다양한 공학 응용 분야에서 재료의 설계와 선택에 중요합니다.
변형 중 세레이션
금속의 인장시험 중 톱니모양, 세레이션은 특히 변형 속도 민감도가 높은 재료에서 종종 관찰됩니다. 변동하는 응력-변형률 곡선은 응력이 주기적인 방식으로 주기적으로 증가 및 감소하는 인장 시험 중 톱니 모양을 나타냅니다. 톱니 모양 흐름의 정확한 메커니즘은 제대로 이해되지 않았으며 활발한 연구 분야로 남아 있습니다. 그러나 이는 동적 변형에 기인하는 PLC 효과가 원인으로 이해되고 있습니다.
동적 변형은 금속의 용질 원자가 변형 중에 전위로 이동하는 과정입니다. 이러한 용질 원자는 정렬된 입자 배열을 형성할 수 있으며, 이는 전위 운동에 대한 국부적 장벽을 생성합니다. 전위가 용질 원자 배열과 상호 작용하면 전위 속도가 감소하여 일시적인 유동 응력이 증가합니다.
PLC 효과는 이러한 용질 원자가 전위에 갇히게 되어 국부적인 변형을 일으키는 전위가 쌓일 때 발생합니다. 이러한 국부적인 영역은 급속한 변형을 겪으며, 이는 새로운 슬립 밴드의 핵 생성 및 성장을 유발하는 응력 집중을 생성합니다. 이러한 슬립 밴드와 다른 전위 사이의 결과적인 상호 작용은 응력-변형 곡선에서 주기적인 변동을 일으켜 톱니 모양의 흐름을 만듭니다.
재료과학에서 전위의 축적(pile-up)이란 물질의 결정립계, 침전물, 결함 등의 장애물 부근에 전위가 뭉쳐 있는 것을 말한다. 전위가 입계 또는 침전물과 같은 장애물을 만나면 장애물에 의해 흡수되거나 장애물 앞에 쌓여 전위 군집을 형성할 수 있습니다. 쌓임 현상은 전위가 결정 방향의 차이나 다른 구조적 요인으로 인해 장애물을 통과하지 못하고 그 뒤에 쌓이기 때문에 일어납니다. 전위의 축적은 재료의 기계적 거동에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 전위의 축적은 변형으로 인한 강화로 이어질 수 있으며, 여기서 더 많은 전위가 장애물 뒤에 쌓이면서 변형에 대한 재료의 저항이 증가합니다. 또한 이러한 축적은 파손을 촉진할 수 있는 높은 응력 및 변형 영역을 생성할 수 있으므로 재료의 균열 및 기타 유형의 결함 형성에 기여할 수 있습니다.
동적 변형 (Dynamic strain)
동적 변형은 높은 변형률 또는 충격 하중과 같은 동적 하중 조건에서 일어나는 재료의 변형을 나타냅니다. 동적 변형은 재료가 변형되고 적용된 힘에 반응하는 데 걸리는 시간보다 하중 속도가 더 빠를 때 발생합니다. 재료가 천천히 변형되고 정상 상태 변형에 도달하는 정적 하중과 달리 동적 하중은 관련된 높은 변형률로 인해 재료가 빠르고 종종 복잡한 변형 패턴을 겪게 합니다. 동적 변형은 경도 또는 강도 증가와 같은 재료 특성의 변화를 유발할 수 있으며 재료가 경험하는 높은 응력 및 변형으로 인해 균열 또는 파손과 같은 손상을 유발할 수도 있습니다.
루더스 밴드 (Luders band)
변형 밴드라고도 하는 루더스 밴드는 소성 변형 중에 결정 재료에서 발생하는 평면 변형입니다. 이는 최대 분해 전단 응력(MRSS) 방향에 수직으로 형성되는 높은 전위 밀도의 좁은 밴드이며 일반적으로 투과 전자 현미경(TEM) 또는 전자 후방 산란 회절(EBSD) 기술을 사용하는 얇은 호일 시편에서 관찰됩니다. 일반적으로 fcc 금속과 같은 낮은 적층 결함 에너지(SFE)를 가진 재료에서 관찰되며 전위의 곱셈과 교차에 의해 시작되는 것으로 생각됩니다. 전위 밀도가 증가함에 따라 MRSS도 증가하여 루더스 밴드를 형성합니다. 밴드는 날카로운 경계와 주변 물질보다 높은 전위 밀도를 특징으로 합니다.
참고
https://en.wikipedia.org/wiki/Portevin%E2%80%93Le_Chatelier_effect
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