재료의 전위와 슬립

전위 : 결정(結晶)에 나타나는 격자 결함의 하나. 결정의 일부를 일정한 방향으로 이동하였을 때에, 결정격자가 전단 변형을 일으키고 있는 부분과 정상인 부분과의 경계가 선상(線狀)으로 되어 있어 원자 배열이 비뚤어지는 것을 이른다.

 

전위는 상당히 생소한 개념인데 쉽게 말해 완전한 결정에 원자들이 잘못 들어가 배열이 틀어지는 것이다. 전위가 중요한 이유는 소성변형의 원리가 전위의 이동에서 나오기 때문이다. 

 

9.1 전위의 종류와 슬립

 

1. 칼날전위

칼날전위는 버거스벡터와 전위선은 수직하고 슬립방향과 응력의 방향은 평행하다 

 

 

2. 나사전위

나사전위는 버거스벡터와 전위선은 평행하고 슬립방향과 응력의 방향은 수직이다.

 

3. 혼합전위

 

혼합전위는 칼날전위와 나사전위의 합으로서 버거스벡터와 전위선은 평행,수직하고 슬립방향과 응력의 방향은 수직,평행 한다. 

 

금속에서는 이러한 전위가 상대적으로 이동하기 쉽고, 공유,이온결합 물질에선 강한 결합에 의해 움직이기 어렵다.

 

 

9.2 슬립과 슬립계

 

전위가 움직이는 정도는 결정학적 원자면이나 방향에 따라 다르다. 통상적으로 전위가 움직이기 쉬운 면과 방향이 있는데 이를 슬립면(slip plane), 슬립 방향(slip direction)이라고 한다. 이 두가지를 합친 것이 슬립계(slip system)이다.

 

이때 알아둬야 하는 것이 있는데 결정학에서 면은 (hkl)으로 표시하고 면들의 모임인 family(족)은 {hkl}로 표기한다. 비슷하게 방향은 [abc]로 표기하고 방향의 모임은 <abc>로 표기한다.

금속	Silp plane (family)	Silp direction (family)	슬립계의 개수
FCC
Cu, Al, Ni, Ag,Au	{111}	<110>	12개
BCC
Fe, W, Mo	{110}	<111>	12개
Fe, W	{211}	<111>	12개
Fe, K	{321}	<111>	24개
HCP
Cd, Zn, Mg, Ti, Be	{0001}	<11-20>	3개
Ti, Mg, Zr	{00-10}	<11-20>	3개
Ti, Mg	{00-11}	<11-20>	6개

FCC와 BCC의 결정구조를 가지는 금속은 대체적으로 많은 슬립계를 가지기 때문에 소성변형이 일어나기 쉽고 연성이 크다. 하지만 HCP는 슬립계의 수가 상대적으로 작기 때문에 소성변형이 일어나기 전에 파괴되어 버리고 이를 취성이 크다고 표현한다.

 

 

 

9.3 단결정의 슬립

 

위에서 말했던 슬립이 현실적으로 일어나는 것을 생각해보면, 인장력이 가해졌을때 시편이 결정면에 따라 슬립(slip)되는 것으로 이해할 수 있다. 시편에 응력이 가해졌을때 수직방향과 수평방향을 제외한 모든 방향에서 전단응력성분이 존재하는데 이를 분해전단응력(resolved shear stress)이라고 한다. 

분해전단응력은 응력의 정의와 마찬가지로 F = 가해진힘 / 단면적 으로 정의되는데, 슬립면이라는 특정한 방향에 대해 힘이 적용되는 것을 관찰해야 하기에 F = 슬립 방향으로 가해지는 힘 / 슬립면에서의 단면적 으로 이해해야 한다.   

 

 

단결정에 인장실험을 하게되면 단결정의 슬립계 중 다른 슬립계보다 큰 힘을 받는 계가 존재할 수 밖에 없는데, 만일 그 슬립계가 힘을 견디지 못한다면 소성변형이 일어난다. 이를 임계분해전단응력(critical resolved shear stress)라고 하며, 항복이 일어나는 때를 결정하는 재료 성질이다. 

 

9.4 다결정의 슬립

 

다결정에서의 변형과 슬립은 조금 복잡하다. 다결정은 단결정과 다르게 많은 결정립이 존재하며 그 방향과 크기가 모두 다르다. 그렇기에 슬립방향과 슬립면을 특정하기에 어려운 측면이 있다. 응력이 가해지면 결정립마다 서로 다른 분해응력을 가지며 이 총합은 전체 응력과 같다.

결과적으로 다결정 금속은 단결정 보다 강한데, 이는 결정립마다 크기와 방향이 다르기에 한 결정립에서 작용하는 슬립계가 다른 결정립에서 작동하지 않아 기하학적인 구속이 가해지기 때문이다. 결국 근처의 결정립에 의해 슬립계를 따른 분해는 멈추고 이를 깨기 위해서는 더 큰 응력이 필요하게 된다.