14년 2회차

금속 내부의 불연속(내부 결함)을 검출하는 데 적합한 비파괴검사법의 조합은 방사선투과시험과 초음파탐상시험이다.

두 검사법 모두 시험체 내부까지 에너지가 투과하므로 표면뿐 아니라 내부에 존재하는 기공, 개재물, 균열 등을 검출할 수 있다.

이에 비해 와전류탐상·누설시험·자분탐상·침투탐상은 주로 표면 또는 표면 직하 결함 검출에 적합하다.

수세성 형광침투액과 건식현상제를 사용하는 시험방법은 FA-D로 표기한다.

KS B 0816 분류기호에서 F는 형광침투액, A는 수세성 제거방법, 대시 뒤의 D는 건식현상법을 의미하므로 이 세 요소를 조합하면 FA-D가 된다.

• FB-D는 후유화성(기름베이스) 제거방법을 쓰는 경우의 기호다.
• FA-S는 건식이 아니라 속건식현상법을 쓰는 경우의 기호다.
• FB-S는 후유화성과 속건식현상을 동시에 쓰는 경우의 기호다.

수세성 염색침투탐상시험에서 습식현상제를 쓸 때 순서는 전처리 → 침투처리 → 세척처리 → 현상처리 → 건조처리 → 관찰이다.

습식현상제는 물에 현상 분말을 풀어 쓰는 것이라 세척 후 시험체에 적셔 도포한 뒤 건조를 거쳐야 지시모양이 뚜렷해진다. 그래서 건식·속건식과 달리 현상이 건조보다 앞선다.

• 제거 처리 뒤 건조를 먼저 하고 현상하는 순서는 건식 현상법을 쓸 때의 절차다.
• 유화처리가 들어간 순서는 후유화성 침투액을 쓸 때의 절차로 수세성에는 해당하지 않는다.
• 전처리 다음에 세척이 먼저 오는 순서는 침투 전에 씻어내는 셈이 되어 절차가 성립하지 않는다.

기포누설검사의 특징은 누설 위치를 빠르게 판별할 수 있다는 점이다.

발포액이나 수조에 담긴 시험체에서 기포가 발생하는 지점을 눈으로 직접 확인할 수 있어 결함 위치를 즉시 알 수 있다.

• 장비가 비교적 간단하고 안정적이어서 경제성과 안전성이 모두 양호한 편이다.
• 특별한 숙련이나 고도의 경험을 크게 요구하지 않는 비교적 단순한 검사법이다.
• 프로브나 스니퍼 같은 전용 탐지장비 없이도 육안 관찰만으로 검사할 수 있다.

누설을 통한 기체 흐름에 영향을 주지 않는 인자는 기체의 색이다.

기체의 흐름량은 분자량·점도·압력차 등 물리적 성질에 좌우되며, 색은 시각적 식별을 돕는 요소일 뿐 흐름 자체와는 무관하다.

• 기체의 분자량은 확산·유동 특성에 직접 영향을 준다.
• 기체의 점도는 흐름 저항을 결정하는 요소다.
• 압력의 차이는 누설 유량을 발생시키는 구동력이다.

초음파탐상시험은 시험체의 내부 조직 상태에 큰 영향을 받는 검사법이므로 "영향이 작다"는 설명은 틀린 내용이다.

결정립이 조대하거나 개재물이 많은 재료에서는 초음파가 산란·감쇠되어 결함 신호 판독이 어려워지므로 재질·조직의 영향을 크게 받는다.

• 펄스반사법이 널리 쓰인다는 설명은 맞는 내용이다.
• 탐촉자 근처에 불감대가 존재한다는 설명도 맞는 내용이다.
• 미세균열에 대한 감도가 높다는 설명도 맞는 내용이다.

전자기 유도 원리를 이용하는 비파괴검사법은 와전류탐상시험이다.

코일에 교류 전류를 흘려 시험체에 와전류를 유도하고, 결함에 의한 와전류 변화를 임피던스 변화로 검출하는 방식이다.

• 침투탐상시험은 모세관 현상을 이용하는 검사법이다.
• 방사선투과시험은 방사선의 투과·흡수 차이를 이용한다.
• 초음파탐상시험은 초음파의 반사·전파 특성을 이용한다.

자분탐상시험으로는 시험체 두께 방향의 결함 높이나 형상에 관한 정보를 얻을 수 없다.

자분탐상은 표면 및 표면 직하의 자속 누설을 이용해 결함의 존재와 대략적 위치를 찾는 검사법으로, 결함의 깊이 방향 크기나 단면 형상까지는 판별하지 못한다.

• 시험체가 강자성체가 아니면 적용할 수 없다는 설명은 맞는 내용이다.
• 자속이 결함면에 수직이 되도록 자화해야 한다는 설명도 맞는 내용이다.
• 깊은 위치의 결함 검출이 곤란하다는 설명도 맞는 내용이다.

관용도(래티튜드)가 큰 필름을 사용하면 콘트라스트가 낮아진다.

관용도가 넓은 필름은 노출 범위가 넓어 두께 차이가 큰 부위도 한 장의 필름에 함께 담을 수 있지만, 그만큼 농도 변화 폭이 완만해져 명암 대비(콘트라스트)는 줄어드는 대가를 치른다.

두 핵종의 관계는 동위원소이다.

그림의 두 기호는 원소기호 H 의 왼쪽 위에 질량수, 왼쪽 아래에 원자번호를 적은 ${}^{1}_{1}\mathrm{H}$ 와 ${}^{2}_{1}\mathrm{H}$ 로, 원자번호(양성자 수)는 1 로 같고 질량수만 1 과 2 로 다르다.

질량수는 양성자 수와 중성자 수의 합이므로 중성자가 각각 0개와 1개로 달라진 것이며, 이처럼 원자번호가 같고 질량수가 다른 핵종을 동위원소라 한다.

• 동중핵: 질량수가 같고 원자번호가 다른 핵종인데, 여기서는 질량수가 1 과 2 로 다르다
• 동중성자핵: 중성자 수가 같아야 하지만 이 둘은 중성자가 0개와 1개다
• 핵이성체: 양성자·중성자 수가 모두 같고 에너지 상태만 다른 관계여서 해당하지 않는다

비정질 합금 제조법 가운데 기체 급랭법에 해당하는 것은 스퍼터링법으로, 진공증착·화학증착과 함께 기체 상태의 원자를 차가운 기판에 빠르게 쌓아 결정이 자랄 틈을 주지 않는 방식이다.

나머지는 모두 녹인 금속을 급속히 식히는 액체 급랭법 계열이어서 제조 원리 자체가 다르다.

• 단롤법은 회전하는 롤 위에 용탕을 흘려 급랭시키는 액체 급랭법이다.
• 원심법은 회전체의 원심력으로 용탕을 얇게 퍼뜨려 급랭시키는 액체 급랭법이다.
• 스프레이법은 용탕을 분무해 급랭시키는 액체 급랭법이다.

압력이 일정한 Fe-C 상태도의 공정점은 액상과 두 고상이 함께 존재하는 3상 평형점이라, 이 조건에서 자유도는 0이 된다.

성분수 2(Fe, C)와 상수 3을 깁스의 상률에 대입하면 $F = C - P + 1 = 2 - 3 + 1 = 0$으로 계산되며, 압력이 고정된 상태이므로 나머지 변수인 온도와 조성이 모두 고정되어 자유도가 남지 않는다.

두 가지 이상의 금속이나 원소가 간단한 정수비로 결합해 원래 성분과는 다른 성질을 갖는 물질을 금속간화합물이라 한다.

이는 성분 원자들이 임의 비율로 섞이는 고용체와 달리 일정한 화학양론 비율로 결합해 독자적인 결정 구조와 성질을 가진다.

결정립계·전위·편석 같은 결정 결함이 없고 원자 배열이 불규칙하며 표면이 균일해 내식성이 우수한 합금은 비정질 합금이다.

일반 결정질 금속과 달리 규칙적인 결정격자를 갖지 않는 구조라, 결정 결함을 따라 진행되는 부식이나 균열의 경로 자체가 존재하지 않는다.

7-3황동에 주석을 약 1% 넣어 전연성과 내식성을 높인 합금으로, 관이나 판으로 가공해 증발기·열교환기에 쓰이는 재료는 애드미럴티 황동이다.

주석이 더해지면 내해수성이 좋아져 물과 습기에 계속 닿는 열교환 설비 재료로 적합해진다.

• 양은은 황동에 니켈을 더한 구리·니켈·아연 합금으로 식기·장식품에 쓰인다.
• 델타 메탈은 6-4황동에 철을 넣어 강도와 내식성을 높인 합금이다.
• 네이벌 황동은 같은 주석 첨가라도 6-4황동을 바탕으로 해 7-3황동 바탕인 애드미럴티 황동과 구별된다.

탄소함유량 0.8~2.0%인 강은 공석점(0.8%C)을 넘어서는 조직이라 과공석강으로 분류된다.

탄소량이 0.8%를 넘으면 초석 시멘타이트가 나타나기 시작하며, 2.0%를 넘어서면 주철 영역으로 구분되므로 0.8~2.0% 구간이 과공석강에 해당한다.

금형이나 칠 메탈을 붙인 모래형에 쇳물을 부어 표면만 급랭시켜 단단하게 만들고 내부는 회주철로 남겨 강인함을 유지하는 주철을 칠드 주철이라 한다.

표면은 급랭으로 시멘타이트가 생겨 내마모성이 뛰어난 경화층을 이루고, 서서히 식는 내부는 연성이 남은 회주철 조직을 유지해 충격에 강하다.

대표적인 시효경화성 합금은 두랄루민으로, 알루미늄에 구리·마그네슘 등을 첨가해 상온에 방치하는 것만으로 강도가 점차 높아지는 특성을 가진다.

급랭 후 과포화 고용체 상태에서 시간이 지나며 미세한 석출물이 생겨 경도와 강도가 시간에 따라 증가하는 것이 시효경화의 핵심 원리다.

탄성률이 우수해 스프링 등 고탄성이 필요한 통신기기·계기 부품에 쓰이는 구리 합금은 인청동이다.

구리에 주석과 소량의 인을 더해 탄성한도와 내마모성을 높인 합금으로, 얇은 판이나 선 형태로 가공해도 반복 굽힘에 잘 견딘다.

부식성 물질이 녹아 있는 수용액에 노출되면 표면이나 내부에서 아연 성분만 선택적으로 빠져나가는 탈아연 부식이 일어나는 재료는 황동이다.

구리와 아연의 합금인 황동은 부식 환경에서 아연이 먼저 용출되고 다공질의 구리만 남는 특유의 손상을 겪는다.

W, Ta, Mo는 용융점이 매우 높은 고융점 금속이지만, Zn(아연)은 용융점이 약 420℃로 낮아 고융점 금속에 속하지 않는다.

텅스텐·탄탈럼·몰리브덴은 수천 도에 이르는 극한 열환경 부품에 쓰이는 반면, 아연은 다이캐스팅이나 도금처럼 비교적 낮은 온도에서 가공되는 금속이다.

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슈퍼인바(super invar)는 Ni 30~32%, Co 4~6%, 나머지가 Fe인 불변강으로 20℃ 부근에서 열팽창계수가 0에 가까운 특성을 가진다.

Fe-Ni계 인바 합금에 Co를 더하면 자기변태에 따른 팽창 상쇄 효과가 커져 일반 인바보다도 팽창계수가 낮아지며, 정밀 계측기나 표준척처럼 치수 안정성이 중요한 부품에 쓰인다.

• 알민은 Al에 소량의 Mn을 넣은 내식성 알루미늄 합금이다.
• 알드리는 Al-Mg-Si계 전선용 알루미늄 합금이다.
• 알클래드는 두랄루민 표면에 순알루미늄을 입힌 클래드재이다.

테르밋용접은 알루미늄 분말과 산화철 분말의 화학반응열(테르밋 반응)로 생기는 고온 용융철을 이용하는 용접법으로, 철도레일의 맞대기 용접에 널리 쓰인다.

알루미늄이 산화철의 산소를 빼앗으며 환원반응을 일으켜 순간적으로 2000℃ 이상의 고온이 발생하고, 이때 녹은 금속을 이음부에 부어 접합한다.

• TIG 용접은 불활성가스 분위기에서 텅스텐 전극으로 아크를 발생시키는 용접법이다.
• 탄산가스 아크 용접은 CO2 가스를 보호가스로 쓰는 용극식 용접법이다.
• 일렉트로 슬래그 용접은 용융 슬래그의 저항열을 이용하는 수직 자동 용접법이다.

허용사용률은 약 71%로, 정격전류보다 낮은 전류로 사용할수록 아크용접기를 더 오래 사용할 수 있다는 원리에 따른 결과이다.

$\text{허용사용률} = \left(\dfrac{\text{정격 2차 전류}}{\text{실제 용접 전류}}\right)^2 \times \text{정격 사용률}$에 값을 대입한다.

$\left(\dfrac{200}{150}\right)^2 \times 40 = 1.78 \times 40 \approx 71\%$이므로 실제 전류가 정격보다 작을수록 허용사용률은 커진다.

아크 용접법 중 불활성가스 텅스텐 아크 용접(TIG)은 전극이 녹지 않는 비용극식(비소모식) 용접법이다.

TIG는 텅스텐 전극이 아크만 발생시키고 별도의 용가재를 넣어 접합하므로 전극 자체는 소모되지 않는다.

• 피복 아크 용접법은 피복 용접봉 자체가 녹아 용착금속이 되는 용극식이다.
• 서브머지드 아크 용접법은 와이어 전극이 연속으로 녹아 들어가는 용극식 자동용접이다.
• 이산화탄소 시일드 아크 용접법은 와이어 전극이 녹으며 CO2로 보호되는 용극식 용접이다.