금속의 소성변형

HCP 결정구조를 갖는 아연과 같은 금속 결정에 탄성한도 이상의 응력을 가할 때 영구적인 변형이 일어납니다. 변형 후 금속의 단결정을 살펴보면, 그 표면에서 슬립띠라고 하는 계단형 무늬를 발견할 수 있습니다. 슬립띠는 슬립면이라고 하는 특정한 결정면에서 금속 원자의 슬립이나 전단 변형에 의해 생깁니다. 변형된 HCP 결정구조의 금속 단결정 표면에는 슬립띠가 매우 뚜렷하게 형성되는데, 이는 이러한 결정에서 슬립이 주로 기저면을 따라서 일어나기 때문입니다. 구리와 알루미늄 같이 연성의 FCC 금속 단결정의 슬립은 여러 개의 슬립면에서 일어나므로 이러한 금속이 변형될 때 표면에 생기는 슬립띠의 무늬는 좀 더 균일합니다. 금속의 슬립 표면을 높은 배율로 자세히 살펴보면, 슬립은 슬립띠 내의 여러 슬립면에서 일어난다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 미세한 계단 무늬를 슬립선이라고 하는데, 슬립선을 보통 50~500개 원자만큼의 간격을 갖는데 비해 슬립띠는 약 10000개 원자 직경 정도의 간격을 가집니다. 전위는 특정한 결정학적 슬립면에서 특정한 결정학적 슬립방향으로 원자를 이동시킵니다. 슬립면은 보통 면 간 거리가 가장 크며 가장 조밀한 면입니다. 슬립은 조밀충진면에서 잘 일어나는데, 이는 원자의 변위에 필요한 전단응력이 덜 충진된 면보다 더 작기 때문입니다. 그러나 조밀충진면에 있는 슬립이 국부적으로 높은 응력에 의해 억제되는 경우, 덜 충진된 면에서 슬립이 일어날 수도 있습니다. 또한 슬립은 조밀충진 방향으로 우선적으로 이동하는데, 이는 원자들끼리 가까우면 원자가 한쪽 자리에서 다른쪽 자리로 이동하는데 필요한 에너지가 보다 적게 들기 때문입니다. 슬립면과 슬립방향의 조합을 슬립계라고 합니다. 금속에서 슬립은 각 결정구조의 특성에 따라 여러 슬립계에서 일어납니다. 순수 금속의 단결정에서 슬립을 일으키는데 필요한 응력은 주로 결정의 결정구조, 그 원자결합의 특성, 변형될 때의 온도, 전단응력에 대해 활동성인 슬립면방향에 따라 달라집니다. 슬립면에서 슬립방향으로 작용하는 전단응력이 임계분해 전단응력이라는 필요 수준에 도달하면, 슬립은 결정 내에서 일어나기 시작합니다. 원래 이 값은 단결정의 항복응력이고, 응력-변형률 인장시험 곡선에 의해 결정되는 다결정금속이나 합금의 항복응력과 같습니다. 실온에서 순수 금속의 단결정은 금속결합과 공유결합이 혼합된 물질일 때 임계분해 전단응력이 높습니다. 또한, 순수 FCC 금속은 슬립계가 많기 때문에 낮은 임계분해 전단응력을 가집니다. 금속의 소성변형에서 나타날 수 있는 두 번째로 중요한 변형기구는 쌍정입니다. 이 과정에서는 원자 격자의 일부분이 바로 옆의 변형되지 않은 격자와 거울상을 형성하도록 변형됩니다. 금속 결정의 변형된 부분과 변형되지 않은 부분 사이이 대칭 결정면을 쌍정면이라고 합니다. 슬립처럼 쌍정도 쌍정방향이라는 특정한 방향으로 일어납니다. 그러나 슬립에서는 슬립면의 한쪽 측면 원자는 모두 같은 거리를 이동하는데 비해, 쌍정에서는 쌍정면으로부터의 거리에 비례하여 이동합니다. 쌍정은 금속 결정의 전체 부피 중 일부분에서만 발생하므로 쌍정에 의해 생길 수 있는 총변형량은 작습니다. 그러나 전단응력에 따라 유리한 방향으로 격자의 방향을 바꿈으로써 새로운 슬립계를 만들어 부가적인 슬립이 일어날 수 있게 하는 중요한 역할을 합니다. 쌍정은 슬립계의 수가 적은 HCP 구조에서 가장 중요합니다. 그러나 쌍정의 도움이 있다고 해도 HCP 금속은 보다 많은 슬립계를 가진 BCC와 FCC 금속보다 연성이 떨어집니다. 변형쌍정은 HCP 금속의 경우 실온에서 관찰되고, 극저온에서 변형된 BCC 금속에서 찾아볼 수 있습니다. 또한 매우 빠른 변형속도로 변형된 경우, 실온의 BCC 금속에서도 찾아볼 수 있습니다. FCC 금속에서는 변형쌍정이 잘 생기지 않습니다. 그러나 응력이 충분히 크고 저온에서 변형된다면 FCC 금속에서도 변형쌍정이 생길 수 있습니다.