결정의 결함 - 점결함/선결함-전위/표면결함-쌍정,결정립계,적층결함/

결정내의 결함

-결정립 내에서 결정들은 완전하지 못합니다. 즉 결함이 존재하게 되는데, 결함의 종류에는 점결함,선결함,표면결함 등이 존재합니다. 이러한 결함들은 재료의 기계적 성질에 큰 영향을 미치게 됩니다.

 

점 결함

점 결함은 치환형 불순물, 침입형 불순물, 공공, 자기침입이 있습니다.

이것들은 각자 이름 그대로 이해할 수 있습니다.

즉, 치환형 불순물은 기존 결정 구조의 원자를 불순물 원자와 치환한 결함이고, 침입형 불순물은 기존 결정 구조 사이에 불순물이 끼여 들어간 형태입니다. 공공은 기존 결정구조에서 원자가 빠진 결함이고, 자기 침입은 보통 공공과 함께 짝지어 일어나는 형태인데, 공공에서 빠진 원자가 다른 위치에 끼여 들어가 있는 것을 의미합니다.

https://new-material.tistory.com/17#comment19674581

고체 내의 결함 (1) - 금속의 점결함

https://new-material.tistory.com/18?category=794661

고체 내의 결함 (2) - 세라믹에서의 점 결함 (프렌켈결함과 쇼트키결함)

 

https://new-material.tistory.com/19?category=794661

고체 내의 결함 (3) - 금속,세라믹,폴리머 내에서의 불순물

점 결함에 대한 포스팅 입니다.

 

선 결함

선 결함은 전위 라는 개념을 통해 이해할 수 있는데, 전위는 격자면의 상대적인 이동이 일어난 면의 가장자리를 의미하는 선 결함입니다. 그림으로 이해해보도록 하겠습니다

위의 그림과 같이 원자로 이루어진 격자가 있었다고 했을때 격자의 면중 한 면이 빠진 왼쪽의 격자에서 오른쪽과 같이 한 부분이 빠졌다고 생각해보겠습니다. (위의 그림은 굉장히 굵게 그렸지만, 빠졌다고 해서 저렇게 큰 구멍이 생기는 정도는 아님, 원자 한개 얇기의 면이 빠진 모습)

이때, 이러한 모습을 앞에서 본다고 하면, 

다음과 같이 볼 수 있습니다. 이때 빠진 부분이 시작되는 

빨간 점을 기준해서 국부적인 변형이 일어나게 될 것입니다. 

이는 2차원적으로 앞에서 본 것이므로, 3차원적으로 저 부분을 수직으로 원통형 기준으로 국부적으로 변형이 일어나게 될 것입니다. 위의 그림을 칼날 전위라고 하고 이는 격자 구조 내에서 추가로 한 격자면을 삽입 또는 제거한 형태의 전위 입니다, 이러한 칼날 전위선이 바로 옆의 이웃한 원자와 자리를 바꾸며 이동하는 것이 전위의 슬립이라고 합니다.

다시 3차원적으로 보면, 위와 같이 슬립이 끝까지 이동한다면 격자가 변하게 될 것입니다.

(전위선은 그림 기준 왼쪽으로 이동한 형태)

이러한 슬립의 모습의 3차원적인 부분을 앞쪽에서가 아닌 옆에서 본다고 생각해 보겠습니다.

슬립이 완료된 모습은 다음과 같습니다.

그렇다면 슬립은 어떻게 왔을까요?

 

다음과 같이 찢어지는 느낌으로 슬립이 이동한 모습을 볼 수 있습니다.

이러한 형태를 나선 전위라고 하는데 이는 전단응력에 의해 한 면을 기준으로 좌우로 이동하는 형태의 전위입니다. 구체적으로 생각해 보겠습니다.

위의 그림과 같이 전위가 움직이게 됩니다.

위의 칼날 전위와 나선전위는 보통 혼합되어 혼합전위를 이루게 되는데,

다음 그림과 같습니다.

칼날전위의 경우 버거스 벡터는 전위선과 수직하게 되고, 슬립방향과 평행하게 됩니다.

나선전위의 경우 버거스 벡터와 전위선이 평행하게 되고, 슬립방향과 수직하게 됩니다.

슬립은 격자면에서 원자가 가장 조밀하게 있는 최조밀 충진면에서 일어나게 되며 최조밀 충진면의 경우

면상의 원자의 개수가 가장 많아 다른 면에 비해 격자간 거리가 적어 슬립이 일어나기 쉽습니다.

더불어 면간 거리가 가장 깁니다.

 

전위의 이동방법은 크게 3가지로, glide, climb, cross slip이 있습니다.

glide는 버거스 벡터와 전위선을 포함한 면에서 일어나는 이동을 뜻하며, 일반적인 이동입니다. 

glide가 일어날 수 있는 면을 glissile, 일어날 수 없는 면을 sessile이라고 합니다.

glide 면과 방향은 결정 구조에 의존합니다.

climb는 칼날전위에서 일어나는 현상으로 버거스 벡터와 수직하게 이동합니다.

그림으로,

다음과 같은데,

공공 제거를 통해 positive climb, 공공생성을 통해 negative climb이 가능합니다. 위의 그림은 공공제거를 통한 positive climb입니다.

 

cross slip은 나선 전위에서 일어나는 현상으로, 전위선과 버거스벡터가 평행하므로, 진행하다가 장애물 등을 만나게 되면 어떤 특정면에서만 슬립이 한정되지 않고 다른 슬립면으로 이동하는 현상입니다.

그림으로,

위와 같습니다.

 

표면 결함에는 쌍정경계, 적층결함, 결정립계 등이 있습니다

면 결함에 대한 포스팅입니다

https://new-material.tistory.com/22?category=794661

고체 내의 결함 (5) - 계면 결함

 

쌍정 vs 슬립

-쌍정이란 쌍정경계를 축으로 하여서 두 격자가 대칭을 이루고 있는 형태를 의미합니다.

-쌍정은 전단응력이나 변형 후에 열풀림, 열처리에 의해 발생하며 원자의 이동에 기인합니다.

전단응력에 의한 쌍정을 기계적 쌍정, 열풀림,열처리에 의한 쌍정을 어닐링 쌍정이라고 합니다.

-쌍정과 슬립의 차이는 슬립은 원자의 이동이 격자간의 거리만큼의 크기로 발생하는데 반해,

-쌍정의 경우에는 격자 구조가 뒤틀리면서 발생하기 때문에 격자점보다 작은 거리의 이동이 일어납니다.

-쌍정에서 원자의 이동거리는 쌍정면으로부터의 거리에 비례하게 됩니다.

-슬립의 경우에는 슬립면의 위 아래의 결정학적 방향이 동일하지만 쌍정의 경우 쌍정면을 가로질러 방향이 변하게 됩니다.

 

적층결함

 

적층결함은, FCC구조를 예로 들어 생각했을때, abcabc순으로 적층 되다, 다른 순서로 적층이 되었을때 생기는 형태의 면 결함입니다.

 

이렇게 여러가지 결함들로 인해 이론 강도는 매우 미세한 완전 단결정이나 정렬된 구조에서만 근접하고, 실제 재료는 결함의 존재로 인해 훨씬 낮은 강도를 보이게 됩니다.