FCC 금속이 HCP 금속보다 소성 변형이 쉬운 이유는?
면심입방구조가 체심입방구조보다 전연성이 좋은 이유는?
1. BCC(체심입방격자) 구조 슬립 가능한 슬립계수가 48개(6개의 슬립면×8개의 슬립방향) : 슬립이 일어날 가능성이 적음, 해당 금속의 종류는 Ti, Mo W 등이 있으며, 일반적으로 강도가 크고 연성이 양호하다.
2. FCC(면심입방격자) 구조 슬립 가능한 슬립계수가 12개(4개의 슬립면×3개의 슬립방향) : 슬립이 일어날 가능성이 가장 큰 편이며 전기 및 열전도도가 매우 양호하고 전연성이 매우 좋다. 해당금속은 Al, Cu, Ag 등이 있다.
3. HCP(조밀육방격자) 구조 슬립 가능한 슬립계수가 3개로 슬립이 일어날 가능성이 매우 적음. 반면에 쌍정이 HCP구조의 소성변형 거동에 큰 역할을 한다.
FCC 금속이 HCP 금속보다 소성변형이 쉬운 이유 금속은 소성가공성이 매우 좋다.
소성가공 거동에는 금속결정격자의 이동, 전위이동, 슬립, 쌍정 등이 있다. 즉, 금속이 외력을 가하면 원자면에 전단력을 일으켜 결정격자가 슬립방향으로 층상 이동하여 집단 슬립을 하면서 슬립선이 생긴다. 슬립면은 원자 밀도가 가장 조밀한 면 또는 그것에 가장 가까운 면이고 슬립 방향은 원자간격이 가장 작은 방향이다. 면심입방격자(FCC)는 슬립시에 12개의 조밀한 슬립계를 가지며 외력에 의해 새로운 슬립발생이 쉬워 소성변형이 쉽다고 말할 수 있으며, 조밀육방격자(HCP)는 3개의 슬립계를 가지며 FCC보다 그만큼 소성변형이 어렵게 된다.
슬립 (Slip)
전위의 움직임에 따른 소성변형 과정을 슬립(slip)이라고 하며, 전위가 움직이는 면
즉, 전위선이 가로지르는 면을 슬립면(slip plane)이라 하며 슬립면과 슬립방향을 슬립계(slip system)라 한다.
슬립면은 조밀충진 면에서 원자의 이동에 필요한 힘이 작으므로 우선적으로 일어난다.
FCC 구조에서 8개의 {111} 팔면체 면이 있다. 팔면체에서 마주보는 (111)형 면은 서로 평행하므로, 같은 형의 (111)슬립면으로 간주한다.
BCC 구조에서는 조밀충진 구조가 아니여서 FCC 구조처럼 가장 높은 원자충진의 우세한 면이 없다. {110}면이 가장 원자밀도가 높아서 슬립면은 보통 이 면에서 일어난다. 그러나 BCC 금속에서 슬립면은 {112}면과 {123}면에서도 일어난다.
HCP 구조에서 (0001) 기저면이 가장 조밀충진된 면으로 이는 Zn, Cd, 및 Mg처럼 c/a비가 높은 HCP 금속에서 보통 슬립면이 일어난다. 그러나 Ti, Zr 및 Be처럼 c/a비가 낮은 HCP 금속에서는 {10-10}면과 {10-11}면에서도 자주 슬립이 일어난다.
구조별 슬립면
슬립에 의한 변형
금속재료를 인장하면 인장방향으로 연신되는데 이때 슬립방향으로 층상 이동하여 집단 슬립을 하면서 슬립선이 생긴다. 즉 외력을 가하면 외력이 가해진 부분은 여러 원자면에 전단력이 작용하여 원자면에 따라서 변형을 일으키도록 작용한다. 금속결정의 경우에는 원자간의 결합을 분리시 키는데 필요한 힘이 원자면에 변형을 일으키는데 필요한 힘보다 훨씬 크므로 결정이 파단되기 전에 원자면을 따라 미끄럼(슬립)에 의한 변형이 생긴다. 이때 슬립한 면을 슬립면이라 하는데 원자 밀도가 가장 조밀한 면 또는 그것에 가장 가까운 면이 된다. 그 이유는 가장 조밀한 면에서 가장 작은 방향으로 미끄러지는 것이 에너지가 최소로 들기 때문이다.
임계전단응력(CRSS : crtica resolved shear stress) : 외력이 증가하여 어느 임계치 값을 넘으면 이 면에서 슬립이 일어나는데 이 때의 전단응력을 말한다.
쌍정에 의한 변형
쌍정이란 특정면을 경계로 하여 처음의 결정과 대칭적 관계에 있는 원자배열을 갖는 결정으로 경계가 되는 면을 쌍정면이라고 한다. 쌍정형성의 특징은 전단적인 이동에 의하여 형성되는 것이며 전단이 일어나는 방향을 쌍정방향이 라고 한다. 슬립에서는 슬립된 부분과 슬립되지 않은 부분의 양측에서 결정의 방위는 변하지 않으나 쌍정은 결정의 방위가 변하고 쌍정형성 시간은 몇초를 요하나 슬립은 몇 분을 요한다. 쌍정이 형성될 때는 응력-변형선도에서 응력의 감소 폭이 크며 심하게 요동친 것처럼 나타난다. 이처럼 쌍정 변형은 일종의 응력 완화현상과 결정의 방위가 변함으로써 새로운 슬립계가 작용하기 쉽다는 것이다.
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