전위에 대하여

전위의 기본적인 두 가지 형태는 칼날 전위와 나사 전위이다. 칼날 전위에서, 전위선으로 정의되는 과잉 반쪽 원자 면의 끝단을 따라 국부적인 격자 뒤틀림이 존재한다. 나사 전위는 전단 뒤틀림에 의해 나타나며, 나사 전위의 전위선은 나선형의 원자면 램프의 중심을 통과한다. 결정 재료의 많은 전위들은 칼날 전위 및 나사 전위의 성분을 모두 갖고 있는 혼합 전위이다. 미시적 관점에서는 소성변형에는 많은 전위의 움직임이 수반된다. 칼날 전위는 전위선에 수직으로 작용하는 전단 응력에 따라 움직인다. 전단 응력이 작용하면, 처음의 과잉 반쪽 원자면은 오른쪽으로 힘을 받으며, 이어서 같은 방향으로 윗부분에 있는 면들을 순차적으로 밀게 된다. 전단응력이 충분하다면, 면의 원자 간 결합은 전단면을 따라 끊어진다. 이에 따라 한 면과 두 번째 면의 아래 반쪽 면이 결합하게 되면서, 두 번째 면의 위 반쪽 면이 과잉 반쪽 면이 된다. 이와 같은 과정은 나머지 다른 면들에 연쇄적으로 일어나게 되어, 과잉 반쪽 면은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하게 된다. 전위가 결정의 어느 특정 부위를 지나기 전이나 후에는 원자 정렬이 규칙적이며 완전하다. 단지 과잉 반쪽 면이 움직일 때만 격자 구조가 뒤틀린다. 최종적으로는 과잉 반쪽 면이 완전히 오른쪽으로 움직여 원자 간 거리의 폭만큼 가장자리 층을 형성하게 된다.

전위의 움직임에 따른 소성변형 과정을 슬립이라고 하고, 전위선이 가로지르는 면을 슬립면이라 한다. 거시적 관점에서의 소성변형이란 전위의 움직임, 즉 슬립에 따른 영구변형을 의미한다. 전위의 움직임은 자벌레의 움직임과 유사하다. 자벌레는 끝다리 부분을 끌어당겨 뒤쪽에 산 모양을 만든 후에 다리를 들어 올리고 움직이는 동작을 반복함으로써 이 산 모양을 앞으로 전진시킨다. 이 산 모양이 맨 앞쪽에 도달하면, 자벌레는 다리 사이의 간격만큼 앞으로 전진한다. 자벌레의 산 모양과 이의 움직임은 소성변형 전위 모델의 과잉 원자면에 대응한다. 작용 전단 응력에 따른 나사 전위의 움직임을 보면, 이동 방향은 응력 방향에 수직인 반면에, 칼날 전위는 전단 응력에 평행하게 움직인다. 그러나 최종 소성변형량은 서로 같다. 혼합 전위의 이동 방향은 작용 응력에 수직도 아니고 평행도 아니며, 그 중간이다. 실제로 모든 결정 재료에는 응고 과정이나, 소성변형 혹은 급속 냉각에 따른 열응력으로부터 생성된 전위가 포함되어 있다. 전위의 수, 즉 전위 밀도는 단위 체적당 총전위 길이, 또는 무작위로 선정한 단위 면적을 관통하는 전위수로 표현한다.

전위의 특성은 금속의 기계적 성질의 측면에서 특히 중요한데, 전위의 기동성뿐만 아니라 전위의 증가에도 영향을 끼친다. 또한 전위 둘레에 존재하는 변형장도 전위 특성 중의 하나이다. 금속에 소성변형을 가하면 소성 에너지의 약 5%만 내부에 남고, 나머지는 열로 분산되는데, 내부에 남은 저장에너지의 대부분은 전위와 관련된 변형률에너지이다. 이미 얘기한 것처럼, 과잉 원자면으로 인하여 전위선 주위에 약간의 원자 격자 뒤틀림이 존재한다. 결과적으로 근처 원자에 압축, 인장 및 전단 성분의 격자 변형률이 부과되고, 전위선의 바로 위나 가까이에 있는 원자들은 서로 조이게 된다. 그러므로 이러한 원자들은 완전한 결정에서의 원자 또는 전위선에서 멀리 떨어진 원자에 비해 압축 변형률이 나타나고 전위선 밑에는 반대로 인장 변형률이 걸리게 된다. 또한 칼날 전위 부근에는 전단 변형률도 역시 존재한다. 그러나 나사 전위의 격자 변형률은 순수 전단뿐이다. 이러한 격자 뒤틀림은 전위선에서 방사하는 변형장으로 볼 수 있으며, 변형률은 주위 원자로 전파되고, 그 양은 전위로부터의 원주 거리에 따라 감소한다.

매우 근접한 전위의 변형장은 서로 영향을 미쳐, 근처의 모든 전위의 상호 작용이 합해진 힘이 각 전위에 부과된다. 같은 부호와 같은 슬립면을 갖는 2개의 칼날 전위를 생각해 보자. 두 전위의 인장 및 압축 변형률은 슬립면의 같은 쪽에 존재하고, 변형장의 상호작용으로 두 전위 사이에는 서로 밀치는 상호반발력이 존재한다. 반면에, 동일한 슬립면에서 반대 부호를 갖는 전위는 서로 끌어당겨 두 전위가 만나면 전위 소멸 현상이 나타난다. 즉, 2개의 과잉 반쪽 원자면이 정렬하여 하나의 완전한 면이 된다. 전위의 상호작용은 칼날 전위, 나사 전위, 혼합 전위 및 다양한 방향성을 갖는 전위 사이에 모두 나타나며, 이러한 변형장과 이와 관련된 힘은 금속의 강화 기구에서 중요한 역할을 한다. 소성변형 동안에는 전위의 수는 대단히 많이 증가하는데, 소성변형을 많이 받은 금속의 전위 밀도는 매우 증가한다. 새로운 전위의 중요한 근원은 이미 존재하는 전위이며, 이러한 기존 전위의 증식 작용에 의해 새로운 전위가 생겨난다. 내부 결함이나 흠집과 같은 표면 불균일 지역 및 입계에서는 응력 집중이 일어나 변형 동안에 전위의 생성 위치가 된다.

전위가 움직이는 정도는 모든 결정학적 원자면이나 방향에 따라 다르다. 통상적으로 전위가 더 잘 움직이는 면과 방향이 있는데, 이 면과 방향을 가리켜 각각 슬립면과 슬립 방향이라 하고, 슬립면과 슬립 방향을 통틀어 슬립계라 한다. 슬립계는 금속의 결정 구조와 관련이 있으며, 전위의 움직임에 수반되는 원자의 뒤틀림을 최소화하는 것과도 연관되어 있다. 어떤 특정 결정 구조에 있어, 슬립면은 가장 조밀한 원자 충진 밀도를 갖는 면이고, 슬립 방향은 슬립면에서 원자가 가장 조밀하게 늘어선 방향이다.

FCC 결정 구조의 단위정에서 {111} 족은 조밀하게 충진된 면의 집합체를 나타낸다. 슬립은 {111} 면에서 방향으로 일어난다. 그러므로 {111}은 FCC의 슬립면과 슬립 방향을 나타내는 슬립계이다. 어느 특정 결정 구조에는 여러 개의 슬립계가 존재하며, 슬립계의 수는 서로 다른 슬립면과 슬립 방향의 가능한 조합 수를 나타낸다. FCC에는 4개의 {111}면과 3개의  방향으로 이루어진 12개의 슬립계가 있다. BCC와 HCP의 슬립은 면의 하나 이상의 족에서 가능하다. BCC의 슬립면은 {110}, {211}, {321}이며, 이 중의 몇몇 슬립계는 단지 높은 온도에서만 작동한다. FCC 또는 BCC의 결정 구조를 갖는 금속은 대체로 많은 슬립계를 가지고 있다. 그러므로 여러 슬립계를 따라 상당한 소성변형이 일어날 수 있으므로 연성이 매우 크다. 반면에, 실제로 작용하는 슬립계가 거의 없는 HCP 금속은 통상 취성이 매우 강하다.