1. 금속의 변형과 전위
이 세상에 있는 대부분의 물건들은 금속 재료, 요업 재료, 고분자 재료로 만들어진 것 입니다. 유리나 도자기와 같은 요업 재료는 높은 강도（强度）를 가지고 있으나 깨지기 쉽고， 플라스틱과 같은 고분자 재료는 변형（變形）되기는 쉬우나 고온에서 강도가 약합니다.
그러나 금속 재료는 ＇높은 강도（强度）＇를 가지고 있으면서 고온에서나 상온에서 깨지지 않고 ＇변형（變形）＇ 할 수 있는 유일한 재료입니다.
금속의 모양이 변하는 현상, 즉 변형은 (1)탄성 변형（彈性 變形，elastic deformation）과（2） 소성 변형（塑性變形，plastic deformation）으로 크게 나눌 수 있습니다.
탄성 변형과 소성 변형
철사를 약간 구부렸다가 놓으면 원래의 상태로 되돌아갑니다. 다시 말하면 힘을 가하였다가 제거하면 철사는 아무 변화도 남기지 않고 처음의 상태로 되돌아 가게 되는데 이와 같은 변형을 탄성 변형（彈性 變形，elastic deformation)이라고 합니다.
그러나 철사에 힘을 더 많이 가하여 어느 정도 이상 구부렸다가 놓으면 처음의 상태로 되돌아가지않고 구부러진 상태로 남아 있게 됩니다. 이와 같이 가공 후에 영구적으로 변형이 남아 있는 변형을 소성 변형（塑性 變形，plasticdeformation)이라고 합니다.
탄성 변형과 소성 변형이 일어나고 있는 동안 금속의 내부에서는 어떤 변화가 일어나고 있을까?
2. 탄성 변형과 소성 변형
(1) 탄성 변형
금속은 자유 전자의 구름에 의하여 결합(금속 결합)되었다고 앞에서 설명하였습니다. 다시 말하면 금속 원자 (+) 사이에서 자유 전자(-)가 존재하여 양 쪽에 있는 금속 원자들을 꽉붙잡고 있는 것 입니다.
이와 같은 금속 원자들을 잡아당겼다가 놓으면 늘어났다가 처음 상태로 되돌아오게 됩니다. 뿐만 아니라 압축하면 원자사이가 좁아졌다가 힘을 제거하면 처음 상태로 되돌아옵니다. 금속 원자사이에 스프링이 있는것처럼 작용하며, 이 현상은 모두 자유 전자 때문에 생기는 것입니다.
이 금속을 늘어나고, 반대로 압축하면 원자 사이가 좁아지면서 축소됩니다. 이 이외에도 금속을 비틀거나 휘는 현상 등, 모두 이와 같은 구조로 생각하면 됩니다.
그러나 금속을 너무 세게 잡아당겨서 스프링이 끊어지면 처음 상태로되돌아오지않고 영원히 형태가 변하게 됩니다.
원자 사이의 스프링이 견딜 수 있는한도에서 힘을가하여 금속이 변형되는 것을 탄성 변형이라고 합니다. 그리고 이 한도（限度） 이상으로 힘을 가하여 스프링이 끊어져서 영구 변형되는 현상을 소성 변형이라고 합니다.
(2) 소성 변형
한개의 선을 중심으로 하여 위의 원자들을 화살표 방향으로 힘을 가한 결과, 한 원자 간격만큼 이동하였습니다. 같은 방법을 계속 되풀이하면 우리 눈에 보일 정도로 크게 모양이 변하며, 가한 힘을 제거하여도 처음 상태로 되돌아오지 않습니다. 이와 같은 현상을 소성 변형이라고 합니다.
이런 소성 변형을 하려면 얼마나 큰 힘을 가해야 할까?
이 힘을 계산하기 위하여 먼저 하나의 원자 사이에서 작용하는 인력（引力）을＇a＇라고 해보겠습니다. 한 면의 위아래에는 4 쌍의 원자들이 있으므로, 이 4 쌍의 원자들은 '4xa'의 힘으로 서로 잡아 당기고 있습니다. 이 '4xa' 보다 조금 큰 힘을 가하면 A-B 면 위에 있는 4 개의 원자들이 '동시에'이동하여 소성 변형될 것입니다.
그러나 실제로 측정한 결과 이렇게 계산한 힘보다 수백, 수천 분의 일 정도의 적은 힘을 가해도 소성 변형 되었습니다. 예를 들면 알루미늄 단결정의 경우 이론적으로 계산한 값은 90 kg/m㎡이었으나, 이 값의 1/500 정도밖에 되지 않는 0.12~0.24 kg/㎡의 적은 힘으로도 소성 변형되었습니다. 뿐만 아니라 철의 경우 1/100, 구리의경우 1/1250의적은 힘으로도 소성 변형되었습니다.
왜그럴까요?
여기에는 금속 재료에서 가장 중요한 비밀이 숨어 있었습니다. 이에 대한 대답은 20 세기가 되어서 비로소 풀렸는데 그 비밀은 바로 '전위에 의한 이동' 이었습니다.
전위에 의한 이동
3. 전위에 의한 이동
소성 변형에서 일어나는 '전위에 의한 이동'을 쉽게 설명하기 위하여, 먼저 우리 주위에서 일어나는 일들을 생각해 보겠습니다.
사람들은 힘든 일을 쉽게 해결하는 생활의 지혜 를 많이 가지고 있습니다. 예를 들어 옛날에 마당에 있는 멍석(잘 모르는 사람들은 카페트를 연상하라)을 이동하는 경우를 생각해 보겠습니다.
이 멍석을 이동하려고 할 때, 멍석 한끝을 붙잡고 잡아당기면서 질질 끌고가지 않습니다. 왜냐하면 힘이 많이 들기 때문입니다.
그러므로 멍석의 한쪽 끝을 '톡' 치면서 주름을 만들면 이 주름이 앞으로 움직이면서 멍석이 조금 앞으로 이동하기 시작합니다. 계속해서이런 행동을 반복하면, 주름이 움직이면서 멍석이 조금씩 앞으로 이동하게 됩니다.
멍석 전체를 동시에 이동하는 것보다 조금씩 나누어 여러 번 이동하면, 힘이 매우 적게 든다는 사실을 알수 있을것 입니다.
소성 변형할 때 이론치보다 측정값이 훨씬 적은 이유는 이와 같이 원자 전부가 동시에 이동하지 않고 조금씩 여러 번 이동하기 때문입니다.
이 사실도 매우중요하지만, 조금씩 여러 번 이동하는 방법도 아주 중요합니다. 전위의 이동에 의한 소성 변형을 설명하기 전에 조금씩 여러번 이동하는 방법에 대하여 생각하면 이해하기가 쉬울듯 합니다.