[EBSD 분석 전 기초 이론] 집합 조직, 조직 우선 방위
본 포스팅에서는 EBSD 분석에 대해서 설명하기 전에 반드시 알아야 되는 기본 이론 내용에 대해서 설명하려고합니다.
금속의 집합조직 (Texture) 혹은 우선 방위 (preferred orintation)으로 부르는 내용에 관해서입니다.
본격적인 내용이 시작되기전에 간단하게 요약해서 정리하면
금속에는 특정 공정 혹은 상태에 따라 나무의 나뭇결과 같이 방향성을 가지는 조직을 생성할 수 있고
이런 방향성 조직을 texture라고 부르며 이 texture를 분석하는 장비가 EBSD가 되겠습니다.
위의 그림중 사람들로 표시한 그림을 먼저 비교해 보겠습니다.
[해당 그림은 oxford사의 ebsd 교육자료 그림을 일부 빌려왔습니다.]
사람들의 방향 예시 상황을 만들어서정리해 보겠습니다.
일반적으로 길거리에 있는 사람들은 모두 각자 자기가 원하는 방향을 보고 있기 때문에 무지개색
예를 들어 좌측에 교통사고가 나게 되면 길거리에 모든 사람들이 사고 소리를 듣고 왼편을 보게 되었을 때
모든 사람들이 같은 방향을 바라 보았다고 파란색으로 설명한 것입니다. 그러면 모두 파란색이 아니고 파란색 하늘색 푸른색 등의 미세한 차이는 어떤 사람은 사고난 차를 보고 어떤 사람은 주서진 파손물을 보거나 하였을때
왼편은 보았지만 모두 100% 같은 곳을 본것은 아니고 미세한 차이는 있을 때를 표시한 것입니다.
사람 그림 아래에 금속의 조직으로 같은 예로 다시 설명해 보겠습니다.
미세조직이 방향이 없는 랜덤 방향일 때는 무지개색 / 특정 방향 쪽으로 미세조직이 배열되어 있을 때에는
푸른색이 되는것 입니다.
이때 모두 같은색이 아닌 푸른색 계열의 색을 띌때는 비슷한 방향으로 배열 되있는 상황을 묘사
본격적인 내용에 앞서 판재 샘플의 방향 명칭에 대해서 설명하고 넘어가도록 하겠습니다.
우리가 철강 회사 및 연구실에서 판재를 제작 할 때에는 주조한 벌크 샘플을 압연(rolling) 후 판재의 형태로 가공하는 것이 일반적입니다.
판재는 기본적으로 단순히 x, y, z 축이 아닌 방향에 대한 명칭이 있습니다.
RD (rolling direction)은 말그대로 rolling 방향으로 판재가 위 그림 기준 왼쪽에서 오른쪽으로 rolling 되었을때 의 방향을 말합니다.
TD (Transverse direction)은 RD와 같은 면에서의 수직 방향
ND (normal direction)은 RD TD 가 포함된 면의 수직한 방향 으로 RD, TD, ND를 명명합니다.
이렇게 방향을 정하는 이유는 본 포스팅에서는 자세하게 설명하지 않겠지만
조직의 texture가 rolling 방향으로 배행되는 경우가 많고 이를 이용한 다양한 활용 요건들이 있기 때문입니다.
위 그림은 예시용 그림입니다.
미세조직의 방향을 그림으로 나타내었을때 모두 같은 방향은 아니지만
RD 방향으로 (왼쪽에서 오른쪽 방향으로) 누워 있는 듯한 조직들의 배치가 나타날 수 있습니다.
아래 부터는 EBSD 분석 모드에 대해서는 이후 추가로 포스팅을 할 예정이지만
EBSD 중 Pole figure (PF)를 그리는 법 그리고 해석 하는법에 대해서 설명해 보겠습니다.
해당 내용을 본 포스팅에서 설명하는 이유는 texture의 개념을 이해 도움을 주기 위해서입니다.
위 그림의 왼편을 보았을때 단결정 (하나의 방향으로 만 이루어진) 샘플로 가정하고
RD, TD, ND에 직선을 긋고 {100} 페밀리로 방향을 설정 할 수 있으며 구형으로 표현 할 수 있다.
쉽게 이해하기 위해 단결정으로 표시한 것이다.
우측의 그래프를 보았을때 3D 구형을 2D 원형으로 표시하기 위한 그림이다.
ND를 꼭지점으로 잡고 3D 물체를 2D로 투사 하였을 때 파란색 원으로 표현할 수 있으며
우측 아래에 2D의 pole figure (PF)를 그리기 위한 바탕 원을 그릴 수 있다.
모든 재료에 대해서 직접 그림을 그릴 일은 없어 장비가 스스로 그리지만 장비의 결과를 이해하기 위해서는
해당 이론을 간단하게 라도 이해 하고 있어야 한다. 아래는 실제 PF를 그리는 예시를 나타내었다.
위 그림에서는 (100) 방향의 PF를 그리는 수순을 설명하고자 하였다.
먼저 판재의 경우에 결정 방향을 직육면체로 나타낸다면 각 면에 따라 총 6개 다른 면을 명칭 할 수 있으며
우측 위 그림에 잘 표시되어 있다.
이를 ND 를 꼭지점으로 PF를 그렸을때 재료의 직육면체 방향의 각 면을의 연장선과 투사 되고 있는 선의 접점을 표시한다. 왼쪽 아래 그림을 보면 간단하게 이해 할 수 있다.
최종적인 PF 결과는 우측 하단의 그림인데 중심부 ND의 방향에 사실 2개의 점이 겹쳐 있는 것이고
모든 RD, TD 위치에 표시 되게 된다. 이는 이론적으로 방향이 완전히 수직 할때의 결과이다.
RD, TD, ND에 완벽하게 수직하는 방향의 재료는 사실상 존재 할 수 없다.
아래는 일반적으로 재료의 방향과 PF를 그리는 방향이 각도를 지닐때를 표시한 것이다.
위는 단결정 방향이 PF를그리는 방향에 각도를 지닐때를 나타낸 그림이다.
기울어진 재료의 방향 면에 평행하게 선을 그어 데이터를 표시 하였을때
우측 하단 PF 결과와 같이 원형의 부분에 표시가 되게된다.
아래는 단결정 다결정 without texture texture에 대한 그림을 한번더 모식도로 정리하였다.
① 샘플은 위에서 설명한 각도를 가지는 단결정 재료로 방향 PF 결과이다.
② 에서는 여러개의 점을 보았을때 다결정 재료를 나타낸 것으로 그림 상으로는 5개 crystal을 모식화 한것이다.
특정한 부분에 점들이 모여 있는 것으로 보았을때 texture를 형성한 것으로 볼 수 있다.
④ 여기서 ④을 먼저 설명하려고 하는데 다결정 재료의 결정 수는 사실상 카운트 할 수 없기 때문에 ④과 같이 등고선으로 표시된다. 특정 방향을 바라보는 값들이 많은 texture를 형성한 재료라고 할 수 있다.
③ PF는 다결정 재료이지만 texture를 가지지 않을때 나타나는 결과이다.
예시 그림으로 Mg합금 재료의 EBSD를 통한 (0002) PF 를 분석 예시로
왼편은 texture를 형성하지 않은 상태 / 우측은 texture를 형성한 상태
아래 부터는 texture가 무슨 의미가 있고 왜 이를 활용해야 되는지에 대해서 설명하려고 합니다.
나무의 예시부터 금속의 내용까지 설명하도록 하겠습니다.
위에 나뭇결이 서로 다른 2가지 나무 샘플이 있습니다.
왼편은 누르는 방향과 나뭇결 방향이 일치하고 / 우측 방향은 누르는 방향과 나뭇결이 수직합니다.
사실은 일반적으로도 왼편의 나무 시편이 쉽게 부서질 수 있을 것으로 예상을 할 수 있습니다.
나뭇결 그림과는 조금 다르지만 비슷한 예를 들어 금속의 texture에 대해서 설명해보겠습니다.
왼편은 rolling을 마친 시편으로 EBSD 분석 이미지 결과 초록색 방향으로 texture를 이루고 있으며 일부 부분적으로 다른 색을 띄고 있고 세로로 길죽한 미세조직을 가지고 있습니다.
우측 그림은 일반적인 미세구조로 랜덤 방향으로 texture가 없는 미세조직을 가지고 있습니다.
여기서 우측의 재료를 인장 시험 한다고 가정해보겠습니다.
해당 이미지 대로 시편을 두고 위아래로 인장 시험을 할때와 좌우 방향으로 인장시험을 할때 사실상 큰 차이가 없습니다.
우리가 주조 (casting) 한 샘플의 경우 이러한 랜덤 방향을 가지고 있기 때문에 조직의 방향의 고려가 필요 없다고 할 수 있습니다.
하지만, 왼쪽 rolling 시편의 경우이에 사진 기준으로 위아래 인장시험 결과가 좌우 인장시험 결과보다 우수 합니다.
이는 위의 나뭇결과 비슷한 내용으로 특정 방향으로 texture가 형성된 조직은 특정 방향에 기계적인 특성에 이점이 있는 것입니다. 아래 같은 내용을 다시 한번 모식도로 나타내 보겠습니다.
rolling을 통하여 texture가 생성된 판재를 인장시험편으로 가공하고 시험했을 때
조직 그림으로 생각해 보아도 왼편의 그림은 인장 시험을 하였을 때 조직간 계면이 뜯어지는 (최종 파괴) 되기가 쉬운 방향이 뒵니다.
반대로 우측 그림은 인장시험 방향과 길죽해진 미세조직의 방향이 겹치어 인장 시험 간에 조직 계면 보다 grain 자체를 파괴해야만 재료가 최종 파괴 되는 방향입니다. 즉, 같은 재료라도 texture 방향을 고려하여 우수한 인장 특성을 얻을 수 있다.
정리해보면
금속은 특정 환경 (rolling 외 기타 다양한 공정들에서 특수 방향 존재 가능) 공정을 거쳤을 때
texutre를 생성 할 수 있는 경우가 있다.
textuere가 형성된 재료는 texture 방향을 이해하고 활용 한다면 실험실의 실험 부터 산업 부품들 까지 같은 재료로도
기계적 특성에 이점이 있다.
이렇게 texture를 분석하기 위한 장비가 EBSD 이고 EBSD 분석 모드 등에 대해서는 추가적으로 설명할 계획입니다.
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