전위(Dislocation) 이란?
금속의 전위(dislocation)는 금속을 포함한 재료가 가지고 있는 선결함, 면결함, 점결함 중 선결함에 해당합니다. 전위는 결정 내부에 잉여의 면으로 생긴 것으로 크게 칼날/나선 전위로 구분됩니다. 전위는 현미경 사진으로 보면 꾸불꾸불한 선의 모양을 하고 있어 선결함이라고도 합니다.
전위는 결정 구조를 가지는 고체 소재(특히 금속)의 기계적 특성에 핵심적으로 관여합니다. 금속 소재의 강도와 연성을 제어하는 방법들 대부분은 이 전위의 움직임을 제어하는 것에 기반합니다. 예를 들어 금속 소재를 강화하고 싶다면, 전위가 움직이기 어렵게 만들면 됩니다.
전위는 재료의 응고 과정, 냉각 과정, 소성변형등에서 형성 될 수 있습니다.
전위의 종류
전위는 금속 및 세라믹 재료의 소성변형과 관련이 있는 1차원 결함으로, 일부 원자들의 정렬이 어긋난 선 결함을 말합니다. 전위의 종류에는 칼날전위, 나선전위, 혼합전위가 있습니다.
전위의 성격은 버거스벡터(b)와 전위선벡터(dislocation line vector, d)에 의해 정의됩니다. 이 둘이 수직이면 칼날전위, 평행할 경우 나선전위입니다. 그 이외의 경우는 혼합전위(mixed dislocation)으로 칼날전위와 나선전위의 선형결합으로 표현할 수 있습니다.
칼날전위는 버거스벡터와 전위선은 수직하고 슬립방향과 응력의 방향은 평행합니다. 나사전위는 버거스벡터와 전위선은 평행하고 슬립방향과 응력의 방향은 수직입니다.
칼날 전위는 하나의 슬립면에서만 가동 전위이며, 나머지 슬립면에서는 부동 전위입니다. 반면, 나선 전위는 버거스 벡터가 포함된 모든 슬립면에서 가동 전위입니다.
칼날전위
칼날전위는 결정 내에서 원자의 잉여 반 평형면 끝 주위에서 생성되는 격자의 비틀림과 관련된 선형 결함(전위선)입니다. 칼날전위는 버거스 벡터의 방향과 전위선의 방향이 수직인 전위로 인상전위, 쐐기전위라고도 합니다.
칼날전위는 완벽한 격자 사이에 여분의 삽입된 절반의 면이 존재하는 형태로 격자내부의 국부적인 변형과 응력장을 형성시켜 소성변형을 용이하게 합니다.
칼날전위는 전위선 윗부분에 위치한 원자들의 경우 압축력이 작용하게 되고, 전위선 아랫부분에 위치한 원자들의 경우 인장력이 작용하게 됩니다.
전위의 성격은 버거스벡터(b)와 전위선벡터(dislocation line vector, d)에 의해 정의되며 이 둘이 수직이면 칼날전위, 평행할 경우 나선전위입니다. 그 이외의 경우는 혼합전위 (mixed dislocation)으로 칼날전위와 나선전위의 선형결합으로 표현할 수 있습니다.
나선전위
나선전위(screw dislocation)는 전위선의 방향과 버거스 벡터의 방향이 수평인 전위입니다. 전단응력와 수직하게 전위가 움직여 마치 회전하듯이 생성되는 전위입니다.
나선전위는 버거스 벡터(b)와 전위선벡터(dislocation line vector, d)에 의해 정의됩니다. 이 둘이 수직이면 칼날전위, 평행할 경우 나선전위입니다. 그 이외의 경우는 혼합전위 (mixed dislocation)으로 칼날전위와 나선전위의 선형결합으로 표현할 수 있습니다.
나선전위는 지렁이의 운동패턴과 비슷한 개념으로 이해할 수 있습니다. 나선전위는 그 비틀린 방향에 따라 다시 2가지로 구분됩니다.
나선전위는 전단 응력을 가해줄 경우 생길 수 있습니다. 나사전위는 전위선을 중심으로한 나선형상의 격자면이 존재하는 형태로 존재하며 칼날전위와 같이 소성변형을 용이하게 합니다.
혼합전위
혼합전위는 칼날전위와 나선전위가 혼합되어 있는 상태를 말합니다. 혼합전위는 칼날전위와 나선전위의 선형결합으로 표현할 수 있습니다.
전위의 성격은 버거스벡터(b)와 전위선벡터(dislocation line vector, d)에 의해 정의됩니다. 이 둘이 수직이면 칼날전위, 평행할 경우 나선전위입니다. 그 이외의 경우는 혼합전위입니다.
결정재료에서 대부분의 전위는 두 종류의 전위가 혼합된 형태로 존재합니다. 전위선은 휘어져서 구성됩니다.
혼합전위는 개재의 칼날전위 응력장과 나사전위 응력장의 합인 응력장을 가집니다.
전위의 특징
전위는 결정 구조를 갖는 물질 내에서 전단응력에 의해 원자의 배열이 어긋난 선형의 결함입니다. 전위는 격자 내부에 존재하며, 추가적인 힘이 가해지면 이동하기도 합니다.
전위의 특징은 다음과 같습니다.
- 결정의 일부를 일정한 방향으로 이동하였을 때, 결정격자가 전단 변형을 일으키고 있는 부분과 정상인 부분과의 경계가 선상으로 되어 있어 원자 배열이 비뚤어지는 것
- 전위는 기계적 성질에 중요한 역할을 합니다
- 전위는 결정 내에서 갑자기 사라질 수 없으며, 전위는 결정 표면까지 이동하거나 다른 전위를 만나 없어 질 수 있습니다
- 전위의 여러 특징들이 버거스 벡터를 통해 결정됩니다
- 전위는 칼날 전위 (edge), 나선 전위 (screw) 2가지 전위로 나뉩니다
- 전위는 금속 및 세라믹 재료의 소성변형과 관련이 있습니다
전위는 격자 내부에 존재하며 distortion을 만들지만 추가적으로 힘이 가해지면 전위가 이동하기도 합니다. 이런 전위의 이동은 slip을 쉽게 만드는 원인이 됩니다.
금속 강화 기구로서의 전위의 역할
금속의 강화기구는 전위의 이동을 방해하는 것을 말합니다. 전위는 금속 및 합금의 소성 변형의 주요 원인입니다. 전위의 이동을 방해하면 기계적 강도를 향상시킬 수 있습니다.
금속의 강화기구에는 고용체 강화, 석출 강화, 결정립 미세화, 냉간 가공 등이 있으며, 전위가 강화 기구로서의 역할을 수행합니다.
고용체 강화는 용질원자의 응력장이 가동 전위의 응력장과 상호작용하여 전위의 이동을 방해하는 것을 말합니다. 용매원자와 용질원자의 사이즈 차이가 클수록 용매 격자의 변형이 심해지므로 슬립이 일어나기 어려워집니다. 첨가되는 합금량이 많을수록 강화효과가 커집니다.
석출 강화는 석출 물 원자집단 주위의 격자 변형에 의해 전위가 움직이기 어렵게 하는 방법입니다.
마무리
금속의 변형 정도가 커질수록 전위 밀도가 높아지고, 전위가 얽히고 설키는 정도가 심해집니다. 이는 금속의 강도를 증가시키지만, 연성은 떨어뜨립니다.
결론적으로, 전위의 종류와 밀도 정도가 금속의 기계적 성질에 크게 영향을 미친다고 볼 수 있습니다.