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Edge Dislocation

고체 내의 결함 (4) – 전위(선결함) / 칼날전위 / 나선전위 / 혼합전위

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고체 내의 결함 (4) – 전위(선결함) 칼날전위 나선전위 혼합전위 본문

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Most searched keywords: Whether you are looking for [3] 전위 이론 1 (dislocation theory)_전위 (dislocation) 1 칼날 전위 / 나선 전위 이미지. – 격자내에서 선결함은 형태에 따라 칼날 전위 (edge), 나선 전위 (screw) 2가지 전위로 나뉘어 집니다. [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..
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전위(선결함) / 칼날전위 / 나선전위 / 혼합전위

지금까지 점 결함을 알아보았다.

점 결함이 모여 이것이 선을 이룬 선결함이 있을때 이를 우리는 전위 (dislocation) 라고 부른다.

실제로 모든 결정 재료는 응고 및 소성 변형 도중 또는 급랭할때 생기는 열응력에 의해 생성된 전위가 있다. 전위는 금속 및 세라믹 재료의 소성변형과 관련이 있다.

전위(선결함)

위의 그림의 빈틈을 한 선이라고 생각하자 이러한 결함은 이동이 가능한데 위의 그림은 고체 내에서

전위가 이동한 모습을 나타내었다.

고체 전체를 이동시키는 것보다 이러한 전위를 이동 시켜 결국 조금조금씩 고체를 이동시키는 것은 효율이 높다.

전위의 종류에는 칼날전위와 나선전위 2가지가 있다. 하나씩 알아보도록 하자.

1. 칼날 전위

3차원 단위에서 위에서 보았을때 선결함의 전위선은 하나의 점같이 보이는데 칼날전위에서 전위선을 표시할때 ㅗ를 넣어 전위선의 위치를

알려주게 된다.

이러한 방법으로 말이다.

고체가 조밀하게 쌓여 있었다고 가정하자.

이것이 바로 칼날 전위를 표현한 그림인데, 그림을 보면 위의 두줄에 비해 밑의 두줄은 가운데 ㅗ 기호를 기준으로

한줄이 빠져있다. 이렇게 빠진 모습이 바로 칼날 전위이다.

이경우 ㅗ 기호부근을 기준해서 밑의 그림의 초록색의 원통형 모양으로(입체기준) 원자들의 배열이 바뀌므로 변형이 일어나게 되는데, 밑의 원자들은 원래의 형태를 회복하기 위해 모여 압축력을, 위의 원자들은 그에 의해 당겨지므로 인장력을 받게 된다. 이 변형의 크기는 전위선과 멀어질수록 작아진다.

그 반대로 밑부분이 잉여 반 평면이 생길 수 있는데 이경우 ㅜ 표시를 사용한다.

이때 전위가 일어나는 ㅗ를 투과하는 그 선을 전위선이라고 하고 격자 변형의 크기와 방향을 나타내는 버거스벡터를 표시하게 되는데 버거스 벡터는 전위선을 기준으로 상하좌우로 가보며 방향을 알 수 있다.

그림으로 살펴보자.

초록색 체크한 원자에서 시작하여 위로 3칸 좌로4칸 아래로3칸 우로 4칸을 가면 도착이라고 동그라미친친 원자에 도착할 것이다. 도착점->시작점을 이은 이것이 버거스 벡터이다.

이 칼날전위가 입체적으로 보았을때

전위가 이동할 경우 이렇게 슬립하게 된다.

위의 그림에서 보면 전위선의 이동방향과 버거스 벡터가 평행하고 전위선과 버거스벡터는 수직이다.

따라서 버거스벡터방향 (슬립방향)과 전위선은 수직하고 전위선의 이동방향과는 평행한다.

2. 나선 전위

나선 전위는 또다른 종류의 전위인데, 변형을 일으키기 위해 전단 응력을 가해줄 경우 생길 수 있다.

이러한 형태가 나선 전위인데, 이때의 버거스 벡터 방향을 구해보면 전위선과 평행하고 전위선의 이동방향과는

수직하게 된다. 나선전위의 경우 나선전위 선을 기준하여 동그라미 화살표를 사용한다. 나선전위에 수반되는 원자변형은

선형적이게 된다. 마찬가지로 슬립방향은 버거스벡터방향과 동일하다.

보통의 전위는 하나의 전위만이 존재하지 않고 위의 그림처럼 두가지 전위를 함께 보이는 양상을 가지는데

이를 혼합전위라고 한다. 혼합일 경우에도 버거스 벡터 방향은 두 전위에서 동일하다. 금속 재료일 경우 전위에서의 버거스 벡터의 방향은 원자가 조밀하게 배열된 방향이고, 그 크기는 원자간 거리와 같다.

[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.

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재료과학 5단원 : 고체의 선/면 결함(Linear/Planar defect)

안녕하세요~ 오늘은 5단원의 마지막 부분인 고체의 선 결함과 면 결함에 대해 배워보려고 합니다. 선 결함이 좀 중요하고, 면 결함은 그냥 이정도가 있구나 정도로 알아두시면 될 것 같아요. 바로 시작할게요~

고체의 선 결함(Linear defect)

칼날 전위(Edge Dislocation)

고체의 선 결함(Linear defect)에서는 전위(Dislocation)가 매우 중요합니다. 여기서 전위는 물리에서 나오는 전위를 의미하는 것이 아닙니다! 재료과학에서 전위는 일부 원자들의 정렬이 어긋난 선 결함 또는 1차원 결함이라고 합니다. 위 그림은 전위의 한 종류인 칼날 전위(Edge dislocation)를 그렸습니다. 그림을 보시면 원자면 중간에 반절이 사라져 원자의 배열이 그 중심으로 휘어지는 모습을 볼 수 있습니다. 남아있는 평면을 잉여 반평면(extra-half plane)이라 합니다. 칼날 전위선은 면과 수직을 이루며, 전위선 부근으로 국부적인 격자 변형이 일어납니다. 전위선의 윗부분은 압축력(Compression)이 작용하고 있고, 아랫 부분에는 인장력(Tensile)이 작용하고 있습니다. 이로 인해 잉여 반평면 끝 부분에서 원자면이 휘어지므로 약간의 곡률이 존재합니다.

귀여운 애벌레와 소성변형의 과정

전위는 고체가 아닌 금속에서 나타나는 선 결함이라 해도 무방할 정도로 세라믹에서는 전위가 나타나기 쉽지 않습니다. 전위는 1차원 결함이므로 이는 0차원 결함인 공공이 모여 형성된다고 말할 수 있습니다. 세라믹에서 전위가 발생하기 위해선 점 결함과 마찬가지로 전기적 중성도를 만족하며 발생되어야 합니다. 따라서 금속에 비해 전위 발생조건이 까다롭고, 그만큼 전위의 농도도 상대적으로 적습니다. 후에 7단원에서 조금 더 자세하게 설명하겠지만, 전위는 소성 변형(Plastic deformation)에 중요한 역할을 담당합니다. 재료가 깨지지 않고 외부에서 들어오는 힘을 받아 잘 변형될 수 있게 해주는 핵심적인 역할이 바로 전위인데, 세라믹에서는 이러한 전위가 매우 적어 기계적인 변형을 감당하지 못하고 깨지기 쉬운 취성(Brittle)의 성질이 강해집니다. 그에 비해 금속에서는 내부에 존재하는 높은 농도의 전위가 슬립계(Slip system)를 따라 이동하며 외부 충격을 수용하게 됩니다. 그러므로 전위는 세라믹에서보다 금속에서 훨씬 중요합니다. 위 그림에 제가 소성변형의 원리를 애벌래가 기어가는 모습으로 간단하게 그려봤습니다. 소성변형은 7단원에서 자세하게 다룰 예정이니, 지금은 그림으로 대략적인 원리만 파악해주시면 될 것 같습니다.

나선 전위(Screw dislocation)와 혼합 전위(mixed dislocation)

칼날 전위 외에도 나선 전위(Screw dislocation)와 혼합 전위(Mixed dislocation)가 존재합니다. 나선 전위(Screw dislocation)는 위의 왼쪽 그림처럼 전단응력에 의해 발생하게 됩니다. 파란색 나선으로 표시된 것처럼 원자면이 나선형 경로로 뒤틀려 있다는 것에서 유래했습니다. 혼합 전위(Mixed dislocation)는 칼날 전위와 나선 전위가 동시에 나타나는 전위를 의미합니다. 칼날 전위에 비해 중요도가 낮기 때문에 그림을 보시고 이해하셔도 충분합니다.

다시 칼날 전위선 그림으로 돌아가겠습니다. 전위선과 더불어 전위를 표시하는데 필요한 것이 바로 버거스 벡터(Burgers vector)입니다. 버거스 벡터는 잉여 반평면에 의해 생겨난 변위량을 나타내는 벡터로써, 격자가 어긋난 정도의 크기와 방향을 표시합니다. 앞서 설명드린 전위의 종류를 버거스 벡터와 전위선이 이루는 방향으로 정의할 수 있습니다. 칼날 전위는 전위선과 버거스 벡터가 수직인 상태를, 나선 전위는 서로 평행하며, 혼합 전위에서는 서로 평행하지도, 수직을 이루지도 않습니다. 또한 전위가 결정 내에서 방향과 성질이 바뀐다 하더라도 버거스 벡터는 전위선을 따라 모든 점에서 변하지 않습니다. 금속 재료의 경우 버거스 벡터의 방향은 원자가 조밀하게 배열된 방향이며, 그 크기는 원자간 간격과 같습니다.

고체의 면 결함(Planar defect)

면 결함(Planar defect)은 2차원 결함이며 일반적으로 다른 결정구조/방향을 가진 재료의 두 영역을 분리하는 경계면입니다. 이러한 종류에는 쌍정(Twin boundary), 표면(Surface), 결정립계(Grain boundary) 등이 있습니다.

결정립계(Grain boundary)

결정립계(Grain boundary)

결정립계(Grain boundary)는 다결정 재료 내에서 2개의 작은 결정립 사이에 존재하는 경계면을 의미합니다. 한 결정립에서 다른 결정립 방향으로 넘어갈 때 상당한 원자 불일치가 존재합니다. 결정립계 부근에 위치한 원자들은 상대적으로 불규칙적으로 배열됩니다. 따라서 더 많은 표면 에너지를 가지고 있으며 반응성이 매우 큽니다.

표면(Surface)

표면(Surface)

표면(Surface)도 일종의 계면 결함으로써, 촉매(Catalysts)와의 반응으로 설명할 수 있습니다. 촉매는 소모되지 않으면서 화학반응을 촉진시키는 물질입니다.

i) 촉매 표면에서 특정 화학 반응이 잘 일어나도록 하는 흡착종이 생기고

ii) 촉매가 주변 반응물의 화학 결합을 촉진시킵니다.

iii) 이후 탈착되어 다시 결합에 참여하게 됩니다.

위 그림을 통해 설명하겠습니다. 원자가 표면에 부착된 후(Ad atom) Themal vibration으로 인해 이리저리 돌아다니게 됩니다. Kink는 부착면이 2개가 있는 자리로, 움직이던 원자가 kink에 들어가게 되면 멈추게 됩니다. 이런식으로 원자의 화학결합이 일어나다보면 Ledge가 형성되면서 길어지고, 따라서 Step 또한 넓어지게 됩니다.

또한 표면 원자들은 인접 원자들과 가능한 최대수로 결합되어 있지 않기 때문에 상대적으로 불안정하고 따라서 높은 에너지를 가지고 있습니다. 재료는 이러한 표면 에너지를 최소화하는 방향으로 모양을 형성하기 때문에 가능한 표면적을 최소화하려 합니다. 예를 들어 물방울은 구형으로 표면적을 최소화합니다.

쌍정(Twin boundary)

쌍정(Twin boundaries)

쌍정(Twin boundary)은 두 격자가 정확한 대칭을 이루고 있는 결정립 사이의 계면으로, 결정립계의 특별한 유형입니다. 마치 거울면과 같아서 쌍정면을 기준으로 원자들은 서로 대칭을 이루고 있습니다.

이것으로 고체의 선 결함과 표면 결함을 마치겠습니다. 5단원부터 시작했더니, 앞에 내용들을 설명하지 않기엔 조금 이상한 것 같아서 다시 2단원으로 돌아가 필요한 내용들을 설명한 다음, 6단원 진도를 나가겠습니다. 감사합니다~

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고체 내의 결함 (4) – 전위(선결함) / 칼날전위 / 나선전위 / 혼합전위

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

4장. 고체 내의 결함 – 선결함의 종류 : 네이버 블로그

재료과학 5단원 : 고체의 선/면 결함(Linear/Planar defect)

전위 (재료과학) – 위키백과, 우리 모두의 백과사전

전위와 소성변형

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