1. 전위의 상호 작용
(1) 전위들이 동일한 슬립면에서 만나는 경우
전위는 불완전한 결함입니다. 그러므로 전위들은 좀 더안정한 상태로 이동하여 편안하게 지내고 싶은 모양입니다. 그러나 에너지가 없으면 전위의 원자들이 이동하지 못합니다. 만약 외부에서 가열하여 전위의 원자들이 열(에너지)을 받으면가능한 한편한 상태가 될 때까지 계속 이동하게 됩니다.
동일한 슬립면에서 전위들이 이동하는 도중에
① 반대 부호의 전위들이 서로 만나는 경우
② 같은 부호의 전위들이 서로 만나는 경우
어떻게 될까?
① 반대 부호의 전위들이 서로 만나는 경우
동일한 슬립면에서 왼쪽(-전위, 즉 + 전위)과 오른쪽(T 전위,- 전위)에 반대 부호의 전위가 존재하는 경우를 생각해보도록 하겠습니다. 이전위들이 서로 접근하기 시작하여 반대 부호의 두 전위가 서로 만나게 됩니다.
그러면 위, 아래에 있던 잉여 반면이 서로 만나므로 자연히 반대 부호의 두 전위는 소멸하여 없어지고 완전한 결정으로 됩니다. 이런 상태로 되면 전위 주위에 있던 응력(應力,stress)도 저절로 제거되므로 이 결정 속에있는 원자들은 모두편안한 상태로 있을 것입니다.
이 현상은 열을 가하지 않아도 상온에서 아주 조금씩 일어나게 됩니다. 그러나열을 가하면 원자들의 운동이 더욱 격렬해져서 전위의 이동 속도가 빨라지므로, 이 현상이 활발하게 일어나게 됩니다. 이 현상을 이용하여 금속 속에 있던 응력(stress)도 제거할 수 있고, 또 기계적 성질도 변하게 할 수도 있습니다.
② 같은 부호의 전위들이 서로 만나는 경우
같은 부호의 칼날 전위(一전위, +전위)가 왼쪽과 오른쪽에 있습니다. 이 칼날 전위들이 서로 접근하기 시작하여 두 전위가 만났다고 가정하여 보겠습니다. 이와 같은 극단적인 경우에는 칼날 전위가 겹쳐 있으므로 잉여 반면들도 한 곳에 겹쳐 있을 수밖에 없습니다.
두 개의 잉여 반면이 한 곳에 겹쳐 있으므로 잉여 반면이 있는 부분의 원자들은 더욱더 압축 응력을 받을 것이고, 반대로 잉여 반면이 없는 부분의 원자들은 인장 응력을 더 심하게 받을 것입니다. 다시 말하면 동일한 슬립면에서 같은 부호의 전위들이 만나면 응력(stress)이 더욱 증가한다는 사실을 알 수 있을것입니다.
사람들도 스트레스가 쌓이는 것을 싫어하는 것처럼 금속 원자들도 이런 상태가 되지 않기를 바랍니다. 그러므로 '같은 부호'의 전위가 겹쳐지는 것은 물론 가까이 접근하는 것도 저지하게됩니다.'같은 부호'의 전위들은 적당한 간격을 두고 떨어져 있으려고 합니다.
이와 같이 같은 부호의 전위가 접근하는 것을 싫어하지만, 소성 변형하기 위하여 부득이 전위들을 접근시켜야 할 경우가 있습니다. 싫어하는 것을 강제로 접근시키려면 더 큰 힘이 필요하게 됩니다. 다시 말하면 더 큰 힘을 가해야 전위가 이동하면서 소성 변형된다는 말은 소성 변형하려면 큰 힘을 가해야 한다는 말과 같습니다. 즉 재료가 강해졌다는 말입니다.
종합하여 생각해 보면동일한 슬립면에서'같은 부호'의 전위가 가까이 접근하는 것은 반발(反撥)하고,'다른 부호'의 전위가 접근하는 것은 환영(歡迎)한다는 것입니다. 마치 자석에서 같은 극(極)끼리는 서로 반발하고, 다른 부호의 극(極)끼리는 서로서로 잡아당기는 것과 유사합니다.
(2) 전위의 상승과 하강
전위는 동일한 슬립면을 수평 방향으로만 이동하는 것이 아니라, 슬립면의 위아래로 이동하면서 수직 방향으로도 움직일 수 있습니다. 그 과정을 조사해 보도록 하겠습니다.
잉여 반면의 끝에 'A' 원자가 있고 그 옆에 공공(空孔,vacancy)이 있는 경우를 생각해보겠습니다. 'A' 원자가 공공 쪽으로 이동하여 되면 잉여 반면의 끝이 한 원자만큼 위로 올라가게 됩니다. 즉 전위가 위로 이동 하였습니다. 이와 같은 현상을 전위의 상승(上昇,positive climb)이라고 합니다.
이와는 반대로 잉여 반면의 끝에 공공이 생겼을 경우입니다. 이런 경우 공공의 옆에 있던'A' 원자가 공공의 장소로 이동하여 잉여 반면의 끝, 즉 전위가 그만큼 아래로 이동하였습니다. 이현상을 전위의 하강(下降, negative climb)이라고 합니다.
주어진 조건에 따라 전위가 상승 또는 하강하여 전위선이 위아래로 이동할 수 있습니다. 그 결과 전위선이위아래로구부러지었고, 전위선에 생긴 이런 계단을 조그(jog)라고 합니다.
금속은 온도가 높아질수록연해지므로 외부에서 작은 힘을가해도 쉽게 모양이변하게 됩니다. 이와 같은 현상이 일어나는 이유는온도가 높을수록 공공의 이동이 활발하여전위의 상승이나 하강이 많이일어나기 때문입니다
(3) 교차(交叉)하는 두 슬립면에서 움직이는 전위의 상호 작용
수많은 전위들이 동일한 슬립면에 이동하거나 상승, 하강하는 등여러 방향으로 이동할 것입니다. 그중에 서교차(交叉)하는교차(交叉)하는 두 슬립면에서 이동하던 칼날 전위들이 만나는 경우도 있습니다.
조그(jog)
앞에서 설명한 것처럼 전위선이 수직으로 상승 또는 하강한 부분을 조그(jog)라고 하였습니다. 그러므로 칼날 전위가 서로 교차하면 조그(jog)가 생긴다는 것도 알수 있을 것입니다. 이 조그(jog)는 전위의 이동을 방해하지 않았으나, 이보다 복잡한 나사전위가 교차하면 '움직이지 않는조그'가 생기게 됩니다.
조그(jog)도 선 결함이므로 조그(jog)가생기면 결정구조가 왜곡(歪曲)되고 응력(stress)이 증가하게 됩니다. 뿐만 아니라 '움직이지 않는 조그(jog)'가 생기면 전위의 이동을 방해하기 때문에 다음에 설명하는 것처럼 금속의 성질을 크게 변화시킨키게 됩니다.
(4) 전위망(轉位網,dislocation network)
금속 속에는 수많은 전위들이 존재하게 됩니다. 이 전위들을 높은 온도로가열하면 각각 편안한 상태를 찾아서 여러 방향으로 이동합니다.
이 전위들 중에 세 방향으로 이동하던 'A', 'B', 'C'전위선들이 한 곳에서 만나는 경우를 생각해 보겠습니다. 이경우 전위선들이 이동하려고 하는 방향이 모두다르기 때문에, 전위선들은 어느 한 방향으로 이동하지 못하고 한 곳에 멈추어 정지할 수밖에 없습니다.
금속 속에서 서로 다른 세 방향으로 이동하던 수많은 전위선들이 이와 같이 만나서, 6 각형의 벌집모양을 형성하게 됩니다. 이와 같은 모양의 전위선들을 그물처럼 생겼다고 하여 전위망(轉位網,dislocation network)이라고 합니다. 보통 전위망의 크기는 대략 0.01 mm에서 0.001m입니다.
(5) 전위의 중식(增植)
'전위의 증식'을 설명하기 전에 앞에서 배운 몇가지 내용을 복습하여 보겠습니다.
금속 속에는 항상 많은 전위가 존재합니다. 이런금속에 힘을 가하여소성 변형할 때, 전위 하나가 결정 밖으로 이동한 결과 한 원자 간격만큼원자가 이동하였습니다. 다시 말하면 원자가 한 원자 간격만큼 이동하려면 하나의 전위가 결정 밖으로 이동하여 없어졌다는 말과 같습니다. 그러므로 소성 변형될수록 전위가소멸한다는 사실을 알 수 있습니다.
사람들의 눈에 보일 정도로 소성 변형하려면 원자들이 수많은 원자 간격만큼 이동하여야 하므로 전위도그만큼 없어져야 합니다. 그러므로 조금만 소성 변형하여도 금속 속에 있던전위가 계속 소멸되어 전위가 거의 없는 '완전결정'이 될 것입니다.
전위가 전혀 없는 '완전결정'을소성 변형하려면 '모든 원자'가 '동시에' 이동하여야 한다고 하였습니다. 이렇게 하려면 굉장히 많은힘이 필요하므로 수백~ 수천 배의 힘을 가해야 합니다.
소성 변형하는 동안 전위가 없어지지 않고 어떤 이유로 계속 생기는 것일까요?
후랭크와 리드라는 두사람이 거의동시에 이 문제에 대하여 다음과 같이 생각하였습니다. 긴 대롱을 비누 물에 담근후 가만히 불면 대롱끝에 비눗방울이생겨서 점점 커지게 됩니다. 이 비누 방울이 대롱 끝에서 떨어져 나가면 다시 비누 물에 담가서 가만히 불면 비누 방울이 생겨서 커지고떨어져 나가는 현상과전위가 새로 만들어지는 과정이 비슷하게 됩니다. 그러므로 비누 방울이 생기는 과정을 생각하면서 '전위의 증식(增植)'을 설명하여 볼 수 있습니다.
지금까지 설명한 것처럼 금속이 소성 변형되려면'전위가 증식(增植)'되는 과정이 반드시 존재하여야 한다는 사실을 알 수 있을 것 입니다. '전위의 증식'에서 고정점 A와 B의 역할은 매우 중요합니다. 전위망에서 생긴 고정점 외에도 나사 전위가 만든 조그(jog)도 고정점으로 작용하게 됩니다. 그리고 이종(異種)물질의 게재물(介在物)등도 후랭크· 리드 원(源)의 시발점(始發點)이 됩니다.