[3] 전위 이론 1 (dislocation theory)_전위 (dislocation)

[3] 전위 이론 1 (dislocation theory)

 

 

* 슬립에 의한 소성 변형 (deformation by Slip)

 

- 금속 재료에서 소성 변형은 전위의 움직임에 의해서 발생

- 전위는 재료의 응고 과정, 냉각 과정, 소성변형등에서 형성 될 수 있습니다.

 

 

* 선 결함 (dislocation)

- 재료에는 여러 결함들이 있습니다.

 

-> 점 결함 (0차원), 선 결함 (1차원), 적층 결함 및 twin 결함 (2차원), 기공 (3차원)

 

->이러한 결함중 전위는 선결함에 해당하며 1차원 결함에 집중하여 전위론 (dislocation theory)을 설명하겠습니다.

 

- 먼저 전위는 점결함들이 모인 선 결함을 유지하는 것으로

- 전위는 결정 내에서 갑자기 사라질 수 없으며, 전위는 결정 표면까지 이동하거나 다른 전위를 만나 없어 질 수 있다.

 

Fig. 1 칼날 전위 / 나선 전위 이미지

- 격자내에서 선결함은 형태에 따라 칼날 전위 (edge), 나선 전위 (screw) 2가지 전위로 나뉘어 집니다.

Fig. 2 칼날 전위와 나선 전위의 움직임 모식도

 

- 칼날 전위와 나선 전위는 Fig.2 와 같은 움직임을 가진다.

- 아래 2 가지 종류의 전위에 대한 자세한 설명을 하도록 하겠습니다.

 

*버거스 벡터

 

-칼날/니선 전위의 설명을 하기전에 한가지 개념만 설명을 하고 넘어가도록 하겠습니다.

 

->바로 버거스 서킷/버거스 벡터 입니다.

 

 

 

Fig.3 버거스 서킷과 버거스 벡터의 의미

 

- 버거스 서킷은 격자에서 결함을 포한한 부분을 일정한 크기로 회로화 하여 생각하는 개념을

 

버거스 서킷이라고 합니다. 

예를 들어 ) 격자를 포함한 시작점에서 오른쪽 4칸 /아래5칸/왼쪽 4칸/위로 4칸을 회로를 만들어서 생각하였을때

 

시작점과 끝점이 다르다는 것을 알 수있습니다.

 

이러한 버거스 서킷의 끝지점에서 출발점으로의 방향을 버거스 벡터 (burger's vector)라고 부릅니다.

- 특히 이러한 버거스 벡터의 방향은 칼날/나선 전위를 구분하는데 주요한 요소가 됩니다.

 

 

 

*칼날 전위

 

Fig. 4 칼날 전위의 모식도와 응력 분포

- 먼저 칼날 전위는 Fig. 4의 모식도와 같은 모양을 가지는 전위를 말합니다.

 

 

- 격자의 사이에 extra half plane이 존재하는 특징

  -> 간단한 예시로 생일 케이크에 칼을 반쯤 썰어 넣은 상태로 생각해 볼 수 있습니다.

 

 

- 이렇게 새로운 plane이 형성되게 되면 이 plane 주변에 새로운 응력이 생성됨

 

 

- Fig. 4 우측의 그림처럼 extra plane이 생성된 부분에서는 격자 기준에서 압축 응력 (compression stress)가 걸리고

  

  extra plane의 아래 부분에는 인장 응력 (tension stress)가 걸립니다.

 

  -> 이러한 격자에 걸리는 응력은 재료의 강화기구중 solid solution 강화의 크고 작은 입자 효과와 비슷합니다. 

 

 

- 또한, 칼날 전위선은 버거스 벡터 (b)의 움직임 방향과 수직한 방향을 가지는 특징을 가지며

 

슬립 방향 (slip direction)과 버거스 벡터 (b)가 또한 평행한 특징을 가진다.

- 칼날 전위는 다른 면으로 이동하기 위해서는 climb을 현상 이용 하는데 간단하게 원자 Fig. 4의 그림에서 원자가 한칸

위 아래로 올라가는 것을 climb이라고 합니다.

 

 

 

*나선 전위

Fig. 5 나선 전위 모식도

 

-전체 결정구조에서 일부만 전위가 된 현상으로 칼날 전위보다 변형이 쉬운 특징이 있다.

 

- 또한, 나선 전위선과 버거스 벡터 (b)의 움직임 방향과 평행한 방향을 가지는 특징을 가지며

 

슬립 방향 (slip direction)과 버거스 벡터 (b) 수직한 특징

 

- 또한 전위가 다른 면으로 이동하기 위해서는 cross-slip을 이용한다.

 

 

- 재료는 칼날 전위와 나선 전위를 모두 가지고 있으며 전위선/슬립 방향과 버거스벡터의 특징을 통해 구분 한다.

 

- 아래는 칼날 전위와 나선 전위의 특징을 정리한 표

 

Table. 1 칼날 전위/나선 전위 특징 정리

 

 

*전위 루프 (dislocation loop)

 

Fig. 5 전위 루프 모식도

- 전위는 single crystal에서는 직선의 형태를 띌 수 있지만, 다결정 재료에서는 주로 curve 또는 loop 형태를

 

나타낸다.

 

- 이러한 전위 루프에서는 루프내의 전위선과 버거스 벡터의 관계에 따라 칼날 전위 부분 / 나선 전위 부분을 구분

 

- 전위의 선과 버거스 벡터 (b)가 수직한 칼날 전위 부분 / 전위선과 b가 평행한 나선 전위 부분

 

- 다결정 재료의 전위(전위 루프)에는 칼날 전위 및 나선 전위가 혼합하여 존재 할 수 있다.

 

 

* 나선 전위의 Cross section

Fig. 6 FCC 재료에서 나선전위의 이동 (cross section)

- FCC 재료 조밀면 {111}면에서 나선전위는 전위선과 버거스 벡터가 수직한 다른 조밀면으로 이동 가능 하다.

 

-> 나선 전위의 조건을 만족하는 다른 plane으로 이동 가능하고 이를 cross section이라고 부른다.