전위론 - 1차원 선결함

0. 소성변형의 원리 및 임계 분해 전단 응력

소성변형은 재료가 버텨낼 수 있는 한계 이상으로 힘이 가해져 변형되는 것을 의미한다. 원자단위의 변형이기에 다시 돌아오지 않으며 재료마다 특징이 다르다. 

어느 수준 이상으로 재료에 힘이 가해지면 가장 원자가 많이 채워진 면을 중심으로 미끄러지며 변형이 일어나는데 이를 Slip이라고 한다. 대부분의 소성 변형이 이러한 Slip에 의하여 발생한다. 

하지만 Slip이 일어나기 힘든 배열 상태이거나 온도가 낮은 경우 Slip이 일어나지 못하는 경우가 있다. 이때는 Slip대신 twin이 발생한다. Twin은 쌍둥이라는 의미 그대로 기준면을 중심으로 맞닿는 두면이 똑같다. 즉 기준면이 거울면으로 작용한다. 

 

하지만 일반적인 인장실험에서 모든 슬립계에 대한 전단힘을 고려하기는 어렵다. 그렇기에 최밀충진면에 의해 슬립이 일어나는 것을 일반화 시켜 임계분해전단응력(Critical Resolved Shear Stress, CRSS)을 정의한다. 

 

 

분해 전단응력은 슬립이 일어나기 시작하는 재료의 특징으로서 고유한 성질을 가지고 있다. 조금 더 정확한 정의로는 완전한 결정의 슬립을 일으키기 위한 이론적 전단응력이며 이 CRSS를 넘기는 힘을 가하면 소성변형이 시작된다고 이해하면 된다. 

하지만 이론적으로 임계전단분해응력을 계산한 값과 실제 분석 값은 큰 차이가 있는데, 이는 재료는 이상적이지 않고 내분에 전위나 결함을 많이 포함하고 있기 때분이다. 내부에 결함이 존재하면 Slip이 더 쉽게 일어나게 되고 이 때문에 실제 금속에서는 적은 힘으로도 분해가 진행된다. 

 

재료의 전위와 슬립

이전 포스팅에서 CRSS에 대한 간단한 정의와 슬립계에 대한 정리가 되어있으니 참고하면 좋다.

 

1. 칼날전위 (Edge dislocation)

extra half plane이 격자 내에 침입한 형태로서 슬립면이 버거스 벡터(b)와 전위선(l)을 포함한다. 또한 버거스 벡터와 전위선은 서로 평행하다. 

 

2. 나선전위 (Screw dislocation)

 

전단응력와 수직하게 전위가 움직여 마치 회전하듯이 생성되는 전위로서, 마찬가지로 슬립면 위에 버거스 벡터(b)와 전위선(l)이 존재하며 전위의 이동방향과 응력의 방향은 동일하다. 

 

3. 혼합전위 (Mixed dislocation)

위의 두 전위가 혼합된 형태로 복합적인 전위 구조를 가진다. 이에 따라 전위선은 휘어져서 구성된다.

 

4. 전위의 이동 (Glide or Sessile)

전위는 격자 내부에 존재하며 distortion을 만들지만 추가적으로 힘이 가해지면 전위가 이동하기도 한다. 이런 전위의 이동은 slip을 쉽게 만드는 원인이 된다. 만일 슬립면에 버거스벡터(b)와 전위선(l)이 존재한다면 전위는 미끄러져 이동 가능하며 이것을 glide라고 한다 . 

만일 슬립면에 버거스벡터(b)와 전위선(l)이 존재하지 않는다면 슬립이 일어나지 않는데 이것을 sessile이라고 한다. 

 

5. 전위의 이동 (Climb)

glide처럼 슬립면을 따라 슬립이 일어나는 경우도 있지만 glide 면을 벗어나서 수직으로 움직이는 전위 또한 존재한다. 이처럼 수직으로 움직이는 전위를 climb이라고 하며 전위선이 넘어간 거리는 vacancy들이 확산하며 채워진다. 

 

6. 전위의 이동 (Cross slip)

전위가 이동하다 다른 슬립면과 만나는 경우가 생기기도 하는데, 이때 새로운 슬립면을 따라 이동하기도 한다. 이것을 Cross slip이라고 한다. 이때 버거스 벡터와 전위선이 평행한 경우 발생하며 주로 나선 전위때 발생한다.

 

7. 전위의 이동 (Twinning)

한번에 수많은 원자가 이동하여 쌍정을 생성하는 전위 이동으로서, 지금까지 다룬 모든 전위중에 제일 응력이 많이 들어간다. 현재 이론적으로는 많은 전위들의 복합적인 이동이 이를 만드는 것으로 이해된다.

 

8. 전위의 복합적인 구성 (Jog)

전위가 구성되어 있는 형태 중에 마치 계단처럼 쌓인 형태가 있다. 이때 이런 계단 형태를 Jog라고 한다. Jog는 Edge 전위를 방해하지 않지만, Screw전위의 이동을 방해한다.  

 

9. 전위의 복합적인 구성 (Kink)

전위가 구성되어 있는 형태 중에 Jog와 유사하지만 슬립면에 수평하게 계단을 이루는 경우가 있다. 이때를 Kink라고 한다. Kink는 Jog와 다르게 어떤 형태의 glide도 방해하지 않는다. 즉 Edge or Screw 전위를 방해하지 않는다.