슬립밴드

왜 배우는가: 슬립 밴드는 금속이 항복 후 국부적으로 소성변형하는 현상으로, 피로균열 발생과 부재 파괴의 출발점이 되므로 강재의 연성·피로 거동을 설명할 때 근거가 된다. 축하중을 받는 강봉의 항복 거동과 함께 반복 출제되는 기본 개념이다.

출제 이력: 제133회 1교시 10번, 제113회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

슬립 밴드는 결정의 슬립면이 최대 전단응력 방향으로 미끄러지면서 시편 표면에 생기는 평행한 단(step) 형태의 소성변형 띠다.

• 슬립 밴드(Slip Band)
• 슬립면(Slip Plane)과 슬립계(Slip System)
• 임계분해전단응력(Critical Resolved Shear Stress, CRSS)
• 전위(Dislocation)와 전위 이동(Glide)
• 소성변형(Plastic Deformation)
• 뤼더스 띠(Lüders Band)와 응력-변형률 곡선 항복 구간
• 지속형 슬립 밴드(Persistent Slip Band, PSB)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 금속을 잡아당기면 결정 안의 특정 면이 한꺼번에 미끄러져서, 표면에 줄무늬처럼 계단이 생기는 현상이다. 이 줄무늬가 슬립 밴드다.

정식 정의는 다음과 같다. 슬립 밴드는 한 슬립계의 슬립면이 자유표면과 만나는 자리에 나타나는 표면 단차(step)의 띠이며, 소성변형이 특정 면에 집중되어 나타난 국부 변형 영역이다. 슬립 밴드는 슬립면에 평행하게 단이 생겨 나타난다는 점이 핵심이다.

슬립면(Slip Plane)은 전위가 움직이는 결정면이고, 슬립계(Slip System)는 슬립면과 슬립 방향의 조합이다. 외부 응력이 이 면과 방향에서 최대 전단응력에 가장 가까운 전단응력을 만들 때 슬립이 시작된다.

임계분해전단응력(Critical Resolved Shear Stress, CRSS)은 단일 슬립계에서 전위 이동을 시작시키는 최소 전단응력이다. 소성 흐름은 이 값을 넘을 때 시작된다고 정의된다.

전위(Dislocation)는 결정 격자의 선상 결함이다. 전위가 슬립면을 따라 움직이는 것이 글라이드(Glide)이며, 전위 하나가 지나갈 때마다 원자가 한 칸씩 이동한다. 많은 전위가 같은 면에서 움직이면 그 면이 단차로 드러나 슬립 밴드가 된다.

축하중을 받는 강봉에서는 항복 이후 소성변형이 특정 띠에 집중된다. 이 띠가 뤼더스 띠(Lüders Band)이며, 같은 현상을 응력-변형률 곡선의 항복 구간 변형률 평탄부로 본다. 저탄소강에서 뚜렷하게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

금속 재료의 소성변형은 결정 슬립 이론으로 설명된다. 결정 격자에서 원자 면이 한꺼번에 미끄러진다는 개념이 정립되면서 슬립 밴드가 그 직접적인 관찰 결과로 이해되었다.

구조 설계에서 슬립 밴드가 중요한 이유는 두 가지다. 첫째, 슬립 밴드는 표면 거칠기를 만들고 응력집중을 일으켜 균열 발생 지점이 된다. 둘째, 항복 후 변형이 국부화되면 부재 전체의 변형 거동이 균일하지 않게 된다. 따라서 강재의 항복 거동, 연성, 피로 수명을 평가할 때 슬립 밴드의 발생 조건을 알아야 한다.

반복하중에서는 지속형 슬립 밴드(Persistent Slip Band, PSB)가 형성된다. PSB는 표면에 혀 모양 또는 리본 모양의 돌출부(extrusion)를 만들며, 이 돌출부가 피로균열의 발생 지점이 된다. 단조 하중에서 생기는 슬립 밴드와 피로하중에서 생기는 PSB를 구분해야 답안에서 혼동하지 않는다.

항복점 이후 변형률 평탄부 현상을 설명할 때는 뤼더스 띠와 슬립 밴드가 같은 현상의 다른 이름임을 함께 적는다.

4. 구성요소·원리·절차

슬립 밴드는 결정 내에서 슬립면(Slip plane)을 따라 전위가 집중적으로 움직여 생긴 표면 단차 띠다. 슬립 밴드를 이해하려면 결정 구조, 전위, 임계분해전단응력의 관계를 함께 봐야 한다.

표 설명: 슬립계는 슬립계(Slip system)라는 이름으로 정의되며, 슬립면과 슬립 방향의 쌍이다. 결정구조가 달라지면 슬립계 수와 종류도 달라진다. 슬립 밴드는 이 슬립계 중 한 개가 집중 활성화될 때 나타난다.

슬립 밴드 형성 원리는 다음과 같다. 결정 내 한 슬립면에서 전위가 연속적으로 방출되면 전위가 자유표면에 도달하면서 단차(step)를 남긴다. 같은 면에서 반복된 미끄러짐이 쌓여 띠 모양의 소성변형 집중대가 된다. 소성변형의 시작 조건은 임계분해전단응력(Critical resolved shear stress, CRSS)이다. 이 값에 도달한 슬립계부터 활동하므로 슬립 밴드는 소성 시작 직후에 나타난다.

전위 운동은 탄성 영역을 넘는 응력에서 일어나며, 전위가 이동해도 격자 질서는 양쪽에서 대부분 회복된다. 그래서 슬립 한 번의 변위는 원자 간격 단위지만, 같은 면에서 반복되면 표면에서 수 μm 규모의 단차로 보인다.

절차는 다음과 같다.

• 외력으로 결정 내 분해전단응력이 임계값에 도달한다.
• 가장 유리한 슬립계에서 전위가 생성되어 슬립면을 따라 이동한다.
• 전위가 자유표면에 도달해 단차를 남긴다.
• 같은 슬립면에서 미끄러짐이 반복·집중되어 슬립 밴드가 형성된다.
• 반복하중을 받으면 지속형 슬립 밴드(PSB)로 발달하여 균열 핵생성 자리가 된다.

슬립 밴드(Slip band)는 소성 변형의 시작과 국부화를 보여주는 표식이다. 슬립 밴드 끝에서 응력집중이 생기므로 균열 발생 위치가 된다. 이 점은 피로 설계에서 중요하다.

공식은 Schmid 법칙으로 쓴다.

$\tau_{r} = \sigma \cos\phi \cos\lambda$

여기서 \tau_{r}은 슬립면의 슬립 방향 분해전단응력(MPa), \sigma는 인장 축응력(MPa), \phi는 축방향과 슬립면 법선 사이 각, \lambda는 축방향과 슬립 방향 사이 각이다. 소성 시작 조건은 \tau_{r} = \tau_{CRSS}이다. 최대값은 \phi=\lambda=45^\circ일 때 \sigma/2가 된다.

지속형 슬립 밴드(Persistent slip band, PSB)는 반복 하중에서 나타나며 돌출(extrusion)과 함몰(intrusion)을 만든다. 단조 하중에서는 전위 평면 배열이 슬립 밴드를 이룬다.

5. 관련 법령·기준·표준

슬립 밴드는 재료역학·금속재료 분야의 현상이며, 국내 구조기준(KDS, KCS)이나 법령에 슬립 밴드 자체를 정한 조문은 없다. 구조 설계에서는 재료의 항복 거동과 시험 기준으로 간접 관리한다. 아래 표는 슬립 밴드와 연결되는 대표 시험·기준 값이다. 기준 번호는 확실한 것만 적었다.

표 설명 1: 0.2% 오프셋법은 항복점이 뚜렷하지 않은 강재에 쓰며, 슬립 밴드 발생 여부와 관계없이 항복강도를 정하는 방법이다. 설계 항복강도 판정에 필요하다.

표 설명 2: 저탄소강의 Lüders 띠는 슬립 밴드와 같은 소성 국부화 현상이다. 항복 구간에서 응력이 일정하게 유지되며 띠가 전파된다. 구조 설계에서는 이 평탄 구간을 연성 여유로 본다.

표 설명 3: 반복 하중에서 나타나는 PSB는 피로 균열의 시작점이다. 피로 설계에서 응력 진폭과 반복 횟수로 평가한다.

6. 유형과 비교

슬립 밴드는 발생 조건에 따라 단조 하중에서 생기는 슬립 밴드와 반복 하중에서 생기는 지속 슬립 밴드(PSB)로 나눠 본다. 두 유형은 형성 원인과 표면 형상이 다르므로 답안에서 구분해 쓴다.