강화 기구와 전위

완전한 결정에서 슬립면 위아래의 원자면을 한꺼번에 어긋나게 하는 데 필요한 전단 응력(이론 전단 강도)을 τ ≈ G/2π로 어림하면, 구리(강성률 G = 48 GPa)에서는 약 7.6 GPa가 된다. 실제 구리 단결정이 슬립하기 시작하는 전단 응력이 1 MPa 정도로 자릿수가 다를 만큼 작은 이유로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A결정 속의 전위가 움직이면 슬립면 원자의 결합을 한 줄씩 차례로 바꾸기만 하면 되고, 면 전체를 한꺼번에 어긋나게 할 필요가 없기 때문이다
  2. B결정 속의 공공이 확산하여 슬립면에 모이고, 공공이 많은 곳에서 원자면이 한꺼번에 떨어지므로 끊어야 할 결합의 수가 줄기 때문이다
  3. C단결정 표면의 산화 피막이 원자면 사이의 윤활제로 작용하여, 내부의 결합보다 약한 힘으로 어긋남이 시작되기 때문이다
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정답: A. 결정 속의 전위가 움직이면 슬립면 원자의 결합을 한 줄씩 차례로 바꾸기만 하면 되고, 면 전체를 한꺼번에 어긋나게 할 필요가 없기 때문이다

이론 전단 강도는 슬립면 위아래의 원자가 모두 동시에 이웃 위치로 어긋난다고 생각한 값으로, G/2π ≈ 7.6 GPa이며, 보다 현실적인 원자 간 힘의 형태를 사용해도 G/30 정도인 약 1.6 GPa가 됩니다. 실제 항복이 그 수천분의 1 이하의 응력에서 일어나는 것은, 결정에 전위가 있고 전위가 움직일 때는 전위선 부분의 결합만 차례로 바뀌어 어긋남이 조금씩 전해지기 때문입니다. 공공의 확산은 상온 슬립의 담당자가 아니라, 고온 크리프 등에서 작용하는 기구입니다. 표면의 산화 피막은 오히려 전위가 표면으로 빠져나가는 것을 방해하는 쪽으로 작용하기도 합니다. 전위가 거의 없는 위스커(수염 결정)에서는 이론값에 가까운 강도가 측정되었습니다.

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