1. 개요
轉位, dislocation, 어긋남고체결정 내부에 존재하는 1차원 결함(defect)의 일종으로 edge dislocation(칼날 전위), screw dislocation(나선 전위) 등으로 세분화된다.
결정질 물질이 실제로 결함이 없이 완전하게 이루어져 있다고 가정하고, 재료가 소성 변형(plastic deformation)되기 위해 필요한 힘을 이론적으로 계산하면, 실제 소성변형이 일어나는 힘의 수백 배에 달하는 높은 값이 도출된다. 왜냐하면 결함이 없는 격자가 이론적으로 소성 변형되기 위해서는 변형이 일어나는 경계면 사이에 있는 모든 원자 결합들이 한 방에 모두 끊어졌다가 다시 붙어야 하기 때문이다.
전위 개념을 도입하면 칼날 전위와 나선 전위가 미끄러지면서 변형을 전파하는 모델로 쉽게 설명할 수 있다. 이 경우 변형에 필요한 힘의 이론적 계산값이 실제값에 근접한다.
비전공자를 위해 전위를 정말 단순 무식하게 설명하면, 전위의 존재는 전위 주변에 있는 원자 사이의 결합 정도만 끊을 수 있다면 원자 결합을 한번에 모조리 끊어버리지 않아도 소성 변형을 수용할 수 있게 해준다.
전위는 결정 구조를 가지는 고체 소재(특히 금속)의 기계적 특성에 핵심적으로 관여한다. 금속 소재의 강도와 연성을 제어하는 방법들 대부분은 이 전위의 움직임을 제어하는 것에 기반한다. 예를 들어 금속 소재를 강화하고 싶다면, 전위가 움직이기 어렵게 만들면 된다.
전위는 금속 소재의 소성 변형 메커니즘을 이해하는 데 있어 매우 중요하며, 몇몇 특별한 경우(고온 크리프 등)를 제외하면 거의 모든 소성 변형은 전위의 움직임으로 인해 발생한다. 이러한 점 때문에 전위는 재료공학에서 "전위론" 이라는 학문으로 따로 분류해서 다룰 정도로 중요하게 다뤄진다.
전위론은 제대로 들어가면 범위가 너무 방대해지고 전공자가 아니면 이해하기 힘들 정도로 어려워지기 때문에 본 문서에서는 재료공학 학부 과정에서 배우는 범위 정도에 한정해서 다루고 있다. 만약 전위에 대해 더 자세히 알고 싶다면 관련 전공 서적과 논문을 참고하기 바란다.
2. 상세
칼날전위(edge dislocation)의 슬립전위의 성격은 버거스벡터(b)와 전위선벡터(dislocation line vector, d)에 의해 정의되며 이 둘이 수직이면 칼날전위, 평행할 경우 나선전위이다. 그 이외의 경우는 혼합전위 (mixed dislocation)으로 칼날전위와 나선전위의 선형결합으로 표현할 수 있다.
전위가 미끄러지는 것을 슬립(slip)이라고 하며, 상온상에서 재료 변형을 설명해주는 주요 메커니즘이다.
재료 안에서 전위는 매우 많이 존재하고, 서로 상호작용하기 때문에 전위밀도(dislocation density)는 재료의 변형과 강도에 큰 영향을 미친다.
두 dislocation이 서로 슬립하며 만나는 경우 계단처럼 생긴 킹크(kink)와 조그(jog)를 형성한다. 킹크는 전위의 이동을 방해하지 않지만 조그는 전위를 이동하지 못하게 방해하는 역할을 하므로 조그가 증가할 경우 재료의 강도가 증가한다.
조그뿐 아니라 불순물(impurity) 등도 전위의 이동을 방해한다. 조그나 불순물은 전위의 이동을 방해하므로, 전위의 선을 휘게 만드는데, 이 경우 전위샘(dislocation source)이 만들어져서 계속해서 전위를 만들어낸다.
위의 모습은 외부에서 힘을 가했을 때 impurity가 있는 재료에서 전위의 이동을 시뮬레이션 한 것으로, 가운데 전위샘이 있다.
dislocation은 밀도의 제곱근에 비례하는 강도증가를 보이는데, 이를 설명하는 것은 여러가지가 있다.
쌓임이론(Pile-Up theory)에서는 결정립계(Grain Boundary)를 넘어가지 못하고 dislocation이 쌓이는 모델로 이를 설명한다. 위는 Pile-Up theory 현상의 시뮬레이션