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전위의 뜻

결정 속 원자 배열이 선 모양으로 흐트러진 결함. 전위가 슬립면 위를 움직임으로써 금속이 소성 변형한다. 칼날 전위, 나선 전위, 혼합 전위가 있다.

일본어 명칭: 転位

‘전위’ 관련 연습 문제는 8개 분야에 19문제가 있습니다(고온 재료와 크리프, 열처리와 금속 재료, 결정 결함과 확산 등).

이 용어의 분야: 결정 결함과 확산

전위가 있으면 금속은 약해진다

원자면 전체를 한꺼번에 미끄러지게 하는 데 필요한 이론 전단 강도는 강성률의 10분의 1 정도로 추정되지만, 실제 금속은 그 1000분의 1 이하의 응력에서 항복합니다. 이 큰 차이를 설명하는 것이 전위입니다. 전위가 있으면 원자 간 결합을 한꺼번에 끊을 필요 없이, 전위선 부근의 결합을 조금씩 바꾸어 연결하는 것만으로 결정이 미끄러져 나갑니다. 카펫의 주름을 밀어 옮겨서 카펫 전체를 움직이는 것과 비슷합니다. 따라서 금속이 얼마나 쉽게 소성 변형하는가는 전위가 얼마나 움직이기 쉬운가에 따라 결정됩니다.

칼날 전위와 나선 전위

전위의 종류는 미끄럼의 크기와 방향을 나타내는 버거스 벡터 b와 전위선의 방향 사이의 관계로 정해집니다. 칼날 전위는 여분의 원자 반평면이 끼어든 형태이며, b는 전위선에 수직입니다. 나선 전위에서는 원자면이 나선 계단처럼 이어지며, b는 전위선에 평행합니다. 일반적인 전위는 두 가지가 섞인 혼합 전위입니다. 칼날 전위는 슬립면이 하나로 정해지며, 고온에서는 공공을 흡수·방출하여 위아래로 이동하는 상승 운동을 할 수 있습니다. 나선 전위는 다른 슬립면으로 옮겨 가는 교차 슬립을 할 수 있습니다.

강화란 전위의 운동을 방해하는 것

금속 강화법의 대부분은 전위의 운동을 방해함으로써 성립합니다. 고용 강화는 용질 원자의 변형장으로, 석출 경화는 미세한 석출물로, 결정립 미세화는 결정립계로, 가공 경화는 전위끼리의 얽힘으로 각각 전위를 멈춥니다. 냉간 가공하면 전위 밀도는 10¹⁰ m⁻² 정도에서 10¹⁵ m⁻² 정도까지 늘어나, 강도가 올라가는 반면 연성은 떨어집니다. 반대로 풀림으로 회복이나 재결정이 일어나면 전위 밀도가 낮아지고, 재료가 다시 연해지며 연성이 되돌아옵니다.

관찰과 반도체에서의 영향

전위는 TEM에서 변형에 의한 회절 콘트라스트의 선으로 직접 관찰할 수 있습니다. 표면에서는 에칭하면 전위가 표면과 만나는 점에 에치 피트가 생기므로, 그 밀도를 세어 전위 밀도를 평가합니다. 실리콘 웨이퍼는 거의 무전위로 만들어지지만, 공정 중의 열응력 등으로 전위가 생기면 누설 전류를 늘리거나 금속 불순물이 석출되는 자리가 됩니다. 격자 상수가 다른 막을 성장시키면 계면에 미스핏 전위가 생겨 변형을 완화하고, 막 안에는 관통 전위가 남기도 합니다.

전위 연습 문제에 도전

칼날 전위에서 버거스 벡터와 전위선의 관계로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A서로 수직이다
  2. B서로 평행하다
  3. C항상 45°를 이룬다
정답과 해설 보기

정답: A. 서로 수직이다

칼날 전위는 여분의 반원자면이 결정에 끼워진 형태의 전위로, 버거스 벡터 b는 전위선에 수직입니다. 칼날 전위는 b 방향으로 슬립하며, 슬립면은 b와 전위선을 모두 포함하는 하나의 면으로 정해집니다. b와 전위선이 평행한 것은 나선 전위로, 나선 전위는 슬립면이 하나로 정해지지 않기 때문에 다른 슬립면으로 옮겨 가는 교차 슬립을 할 수 있습니다. 일반적인 전위는 그 중간인 혼합 전위로, 전위선을 따라 칼날 성분과 나선 성분의 비율이 연속적으로 변하며, 특정한 45°로 정해지는 것은 아닙니다.

FCC 금속의 완전 전위의 버거스 벡터는 (a/2)<110>이다. 알루미늄(격자 상수 0.405 nm)에서 그 크기에 가장 가까운 것은 무엇인가?

  1. A약 0.405 nm
  2. B약 0.351 nm
  3. C약 0.286 nm
정답과 해설 보기

정답: C. 약 0.286 nm

(a/2)<110>의 크기는 (a/2) × √(1² + 1² + 0²) = a/√2이며, 0.405/1.414 ≈ 0.286 nm입니다. 이것은 FCC에서 가장 가까운 원자 간 거리와 같으며, 전위는 조밀 방향의 가장 짧은 격자 병진 벡터를 버거스 벡터로 택합니다. 약 0.405 nm는 격자 상수 자체(<100> 방향의 병진)로, 전위의 에너지는 b²에 비례하므로 불리합니다. 약 0.351 nm는 BCC의 (a/2)<111>, 즉 √3a/2를 적용한 값입니다. 전위의 단위 길이당 탄성 에너지는 약 Gb²/2이며, b가 작은 전위일수록 안정합니다.

자주 묻는 질문

전위는 어떻게 늘어납니까?

소성 변형 중에 양 끝이 고정된 전위가 활처럼 휘어 나와 고리를 차례로 만드는 프랭크-리드 원 등의 기구로 증식합니다. 그래서 가공이 진행될수록 전위 밀도가 늘어나 가공 경화가 일어납니다.

전위와 버거스 벡터는 어떤 관계입니까?

전위 주위를 한 바퀴 도는 닫힌 회로를 만들면, 완전 결정과 비교해 회로가 닫히지 않는 만큼의 어긋남이 남습니다. 이것이 버거스 벡터이며, 전위가 지나갔을 때 결정이 미끄러지는 양과 방향을 나타냅니다.

세라믹스에서 전위가 잘 움직이지 않는 이유는 무엇입니까?

이온 결합에서는 같은 부호의 이온끼리 가까워지지 않도록 미끄러져야 하고, 공유 결합에서는 결합의 방향성이 강하므로, 슬립계가 제한되고 파이얼스 응력이 크기 때문입니다. 그래서 실온에서는 소성 변형하기 전에 취성 파괴합니다.

해설 속의 ‘전위’

‘전위’ 관련 문제(19문제)

  1. 칼날 전위에서 버거스 벡터와 전위선의 관계로 옳은 것은 무엇인가?
  2. FCC 금속의 완전 전위의 버거스 벡터는 (a/2)<110>이다. 알루미늄(격자 상수 0.405 nm)에서 그 크기에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  3. 강의 영률에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  4. 저온에서 연성에서 취성으로의 천이(연성-취성 천이)가 뚜렷하게 나타나는 재료는 무엇인가?
  5. Al-Cu 합금(두랄루민계)의 석출 경화 처리 순서로 옳은 것은 무엇인가?
  6. 치환형 고용 강화에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  7. 지름 10.0 mm의 구리선을 인발하여 지름 8.0 mm로 만들었다. 냉간 가공도(단면 감소율)는 얼마인가?
  8. 냉간 가공한 금속을 가열했을 때의 재결정에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 철 속에서 침입형 고용체를 만드는 용질 원소의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
  10. 냉간 가공한 금속을 재결정이 일어나지 않을 정도의 온도로 가열할 때 일어나는 회복에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  11. 치열 교정 와이어나 스텐트에 사용되는 Ni-Ti 합금(약 50 at%Ni)의 초탄성 메커니즘으로 옳은 것은 무엇인가? 사용 온도는 역변태 종료 온도 Af보다 높다고 한다.
  12. 표면이 매끄러운 금속 재료에 항복 응력보다 낮은 응력 진폭을 반복하여 가했을 때의 피로 균열 발생에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  13. 어떤 Zr기 벌크 금속 유리의 항복 강도가 1.8 GPa, 영률이 90 GPa이다. 탄성 변형률의 한계를 σy/E로 추정한 값과, 결정성 금속 재료와의 비교의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
  14. 금속 유리의 상온에서의 소성 변형에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  15. 일정한 하중과 온도에서 측정한 크리프 곡선(변형률과 시간의 관계)의 세 단계에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

관련 용어

가공 경화 영률 재결정 회복 크리프 버거스 벡터 금속 유리 확산 크리프 멱법칙 크리프 Ni기 초내열합금

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