18년 1회차

저융점합금은 녹는점이 낮은 금속들의 합금으로, 주로 Sn(주석), Pb(납), Zn(아연), Bi(비스무트), Cd(카드뮴) 등 녹는점이 200~320℃ 범위의 금속을 조합하여 제조된다. Mo(몰리브덴)는 녹는점이 약 2,620℃로 매우 높은 고융점 금속이므로 저융점합금의 구성 원소로 사용되지 않는다. Zn은 약 420℃, Pb는 약 327℃, Sn은 약 232℃의 녹는점을 가지므로 모두 저융점합금의 주요 구성 원소로 널리 사용된다.

보자력이 큰 경질 자성재료는 한 번 자성화되면 자기장을 유지하려는 성질이 강한 재료다. 희토류계자석은 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm) 등 희토류 원소를 포함한 영구자석으로 매우 큰 보자력(수천 Oe 이상)을 가지며 경질 자성재료의 대표 사례다. 반면 규소강판은 규소를 첨가해 투자율을 높인 연질 재료, 퍼멀로이(Ni-Fe 합금)와 센더스트(Fe-Si-Al 합금)는 모두 보자력이 작은 연질 자성재료로 변압기나 코일 코어 등에 쓰인다.

36%Ni, 12%Cr 조성과 "탄성율의 변화가 거의 없다"는 조건을 모두 만족하는 것은 엘린바(elinvar)이다. 엘린바는 인바에 Cr, Mo 등을 첨가하여 온도 변화에 따른 탄성율 변화를 최소화한 합금으로, 정밀 계측기기(지진계, 정밀 저울의 스프링)에 사용된다.

• 인바(invar)는 약 36%Ni를 함유하여 열팽창계수가 매우 작지만, 탄성율 변화는 여전히 온도에 따라 변한다.
• 칸달(Kanthal)은 철-크롬-알루미늄 합금으로 고온 저항선용이다.
• 슈퍼인바는 인바보다 더욱 낮은 열팽창계수를 갖지만 탄성율 안정성을 목표로 하지 않는다.

온도 변화에 따른 탄성율의 변화가 거의 없는 성질을 찾는 문항이다. 36%Ni, 12%Cr 함유 철합금의 조성과 용도가 핵심이다.

탄소강의 청열취성(blue brittleness)은 200~300℃ 온도 범위에서 발생하는 현상으로, 이 구간에서 강도는 높아지지만 연성과 인성이 급격히 저하되어 취성 파괴가 일어나기 쉬워진다. 청열취성은 이 온도에서 질소와 산소 같은 침입형 원소들이 전위(dislocation)와 상호작용하면서 강의 기계적 성질을 악화시키는 메커니즘으로 발생하며, 온도가 더 올라가면 원자의 열운동이 증가하면서 다시 연성이 회복된다.

냉간가공 시 전기전도율은 결함·전위·응력 등이 증가하면서 전자의 산란이 증가하여 오히려 감소하므로 '전기전도율이 커진다'는 틀린 설명이다.

냉간가공은 금속을 상온에서 소성변형시키는 공정으로, 결정립이 압축되고 결함이 증가하면서 금속의 물성이 변한다.

• 항복강도 증가는 결정립 미세화와 전위 밀도 증가로 인한 정상적인 경화 현상이다.
• 피로강도 증가도 냉간가공으로 인한 가공경화로 강도가 상승하는 결과이다.
• 격자 변형과 이방성 발생도 냉간가공의 전형적 특성이다.

전기 비저항(electrical resistivity)은 물질이 전기흐름에 저항하는 정도를 나타내는 물성값으로, 값이 클수록 전도성이 낮다. 주어진 금속들의 상온 비저항을 비교하면 Ag(약 1.6×10⁻⁸ Ω·m) < Cu(약 1.7×10⁻⁸ Ω·m) < Al(약 2.7×10⁻⁸ Ω·m) < W(약 5.5×10⁻⁸ Ω·m) 순서로, W(텅스텐)의 비저항이 가장 크다. Ag와 Cu는 전도성이 매우 우수한 금속이고, Al도 비저항이 상대적으로 낮은 반면, W는 고융점 금속으로서 비저항이 상당히 크기 때문에 전구 필라멘트나 고온 응용에 사용된다.

분말제조 후 금형에서 원하는 형상으로 성형하고, 가열하여 입자 간 결합과 치밀화를 진행하는 소결을 실시한다. 이후 필요한 치수 정밀도와 표면 상태를 확보하기 위해 후가공을 하므로 공정 순서는 분말제조→성형→소결→후가공이다.

중금속은 밀도가 5 g/cm³ 이상인 금속으로 정의된다. Al(밀도 2.7)·Mg(밀도 1.74)·Be(밀도 1.85)는 모두 5 g/cm³ 미만의 경금속이며, Cu(밀도 8.96)는 5 g/cm³를 초과하므로 중금속에 해당한다.

Y합금은 Al-Cu-Ni-Mg계 내열 알루미늄 합금으로, 고온강도가 커서 내연기관의 피스톤·실린더 헤드에 쓰인다. 켈밋은 Cu-Pb계 베어링 합금, 오일라이트는 기름을 함침시킨 소결 함유 베어링, 화이트메탈은 Sn·Pb계 베어링 합금이다.

A₃ 변태점(약 912℃)에서 순철은 체심입방(α철)에서 면심입방(γ철)으로 바뀌며, 면심입방이 원자 충진율이 더 높아 가열 중에도 체적이 수축한다. A₂점(약 768℃)은 결정구조 변화가 없는 자기변태점이고, A₄점(약 1,394℃)에서는 γ철이 δ철(체심입방)로 바뀌며 오히려 팽창하고, A₁점은 강에만 있는 공석변태점이다.

오스테나이트계 스테인리스강을 500~800℃ 온도 범위에서 가열할 때 입계부식(intergranular corrosion)을 유발하는 원인은 크롬 탄화물(Cr₂3C₆ 또는 M₂₃C₆)의 석출이다.

이 온도 범위는 크롬 탄화물이 결정립 경계에 석출되는 감마선 영역(sensitization range)으로, 경계 부근의 크롬 농도가 저하되어 국부적으로 부식에 취약해진다.

• Fe₃O₄와 Fe₂O₃는 철 산화물로 입계부식의 직접적인 원인이 아니다.
• Cr₂O₃는 보호성 산화막을 형성하므로 입계부식의 직접적인 원인이 아니다.

6:4황동(Cu 60%, Zn 40%)에 Fe, Mn, Ni, Al 등을 첨가한 고강도 황동의 특징을 검토하면, 취성은 이들 원소 첨가로 오히려 감소하여 강도와 인성이 함께 향상되므로 1번이 틀렸다. Fe, Mn, Ni, Al 등의 첨가는 내식성(내해수성)을 크게 향상시키고, 방식성도 우수해지며, 이러한 합금은 높은 강도와 내식성이 필요한 주물 및 단조용으로 주로 사용된다. 따라서 2, 3, 4번 설명은 모두 정확하다.

상온에서 소성변형을 받은 금속을 비교적 낮은 온도에서 가열할 때 강도 증가와 연성 감소가 일어나는 현상은 변형시효(strain aging)이다.

변형시효는 소성변형 중 도입된 전위(dislocation)가 원자공공(vacancies) 또는 침입원자(interstitial atoms)와 상호작용하여 고정되면서 강도는 증가하지만 연성과 충격값은 저하하는 특성을 보인다.

• 가공경화는 상온 변형 직후의 강도 증가 현상이다.
• 확산현상과 질량효과는 이와 무관하다.

탄소강의 5대 원소(C, Mn, Si, S, P)의 영향을 묻는 문항에서, 'Si는 결정립을 미세화하여 가공성 및 용접성을 증가시킨다'가 틀린 이유는 Si는 결정립을 미세화하지 않으며, 오히려 가공성과 용접성을 저하시키기 때문이다.

Si는 강도와 탄성을 증가시키지만, 침투성을 악화시켜 담금질 시 경화층이 얕아지고, 고온 산화에 강해지는 대신 가공성은 감소한다.

• C는 함유량이 증가하면 인장강도·경도가 증가하는 것이 맞다.
• Mn은 결정립 성장을 억제하며 주조성(탈산성)을 개선하는 것이 맞다.
• S와 P의 한계는 강종별로 공구강에서 더 엄격하게 제한하는 것이 맞다.

소성합금(초경합금)은 텅스텐 카바이드(WC)와 코발트(Co)를 주성분으로 하는 경화합금으로, 보기 1·2·3은 모두 초경합금의 올바른 특성이다. 내마모성이 높고(1번), 카보로이·미디아 등이 대표 제품명이며(2번), 고온경도와 강도가 우수해 고온에서 변형이 적다(3번). 그러나 4번은 초경합금의 주성분이 SnC(주석카바이드)가 아니라 WC이고, 초경합금은 용도에 따라 재질 배합과 형상이 매우 다양하므로 "단순하다"는 표현이 잘못되었다.

고로에서 나온 용선에 산소를 불어 넣어 탄소·규소 등 불순물을 산화 제거하는 제강법은 전로 제강법이다. 전로는 상부에서 고압산소를 분사하여 발열 반응으로 용선을 정련하는 방식이며, 평로는 화염로에서 외부 열을 이용하고, 전기로는 전기 아크로 용해하며, 도가니로는 주로 특수강 제조에 사용되므로 문제 조건에 정확히 부합하는 것은 전로 제강법이다.

구상흑연주철(ductile iron)에서 구상화 처리 후 접종제로는 Si-Ba(규소-바륨) 또는 Si-Ca(규소-칼슘) 계통이 주로 사용되며, Si-Zn은 사용되지 않는다. 1번 불스아이 조직은 구상흑연주철의 특징적 미세조직이고, 2번 바탕 조직 중 흑연이 8~10% 정도 구상 형태로 존재하는 것이 정의이며, 4번 Fading 현상은 구상화 처리 후 시간이 경과하면서 용탕의 구상화 원소가 산화·휘발되어 구상화 효과가 감소하는 실제 문제다.

프아송비는 축 방향 변형률에 대한 측면(횡) 변형률의 비로 정의되는 무차원 상수이며, 재료의 기본 탄성 특성을 나타낸다.

• '원자간 거리가 증가하면 탄성률은 증가한다'는 틀렸는데, 원자간 거리가 증가하면 원자간 결합력이 약해져 탄성률은 감소한다.
• '탄성계수는 온도가 증가할수록 증가한다'도 틀렸으며, 탄성계수는 온도가 증가할수록 감소하는 일반적 경향을 보인다(금속의 열진동 증가로 원자간 결합 강성이 약해짐).
• '미세조직의 변화에 따라 크게 변화한다'는 부분적으로 참이지만, 탄성계수는 본질적으로 재료의 원자 간 결합력에 의존하는 내재적 성질이므로, 미세조직 변화(결정립 크기, 상의 종류 등)보다는 재료 자체의 종류에 훨씬 더 지배적으로 결정되어 "크게 변화한다"는 표현은 부정확하다.

순철의 변태점은 세 가지입니다. A₂(약 768℃, 자기변태), A₃(약 912℃, α↔γ), A₄(약 1394℃, γ↔δ)입니다. A₁점(약 727℃)은 탄소를 포함한 강의 공석변태점이므로 순철에서는 나타나지 않습니다.

'규칙격자합금을 소성가공하면 규칙도가 증가한다'가 틀렸는데, 규칙격자합금을 소성가공하면 원자 배열의 질서가 파괴되어 규칙도가 감소하며, 규칙도를 다시 높이려면 가열 어닐링이 필요하다.

규칙-불규칙 변태는 합금 원자들이 결정격자 위치에 질서 있게 배열되는 현상을 다룬다.

• 전기전도도 설명은 정확한데, 규칙격자에서는 전자 구조가 정렬되어 전기전도도가 증가한다.
• 경도·강도 설명도 맞으며, 규칙격자 형성으로 원자 배열이 규칙적이 되어 경도와 강도가 증가한다.
• 강자성체·상자성체 설명도 합금의 자기특성 변화를 올바르게 설명한다.

응고 중 고체 안의 확산속도가 느리면 하나의 결정립 안에서 중심부와 바깥쪽의 조성이 달라집니다. 이렇게 결정립 내부에 농도 차가 수지상 형태로 남는 현상을 입내편석(유핵조직, coring)이라 합니다. 입계편석은 결정립 경계에 불순물이 모이는 현상입니다. 주상조직은 주형 벽에서 기둥 모양으로 자란 결정 조직입니다.

이원 이상의 합금에서 복합적인 상호확산(interdiffusion)이 일어나는 현상은 반응 확산이다. 반응 확산은 두 종 이상의 원소가 동시에 확산하면서 상호작용하여 새로운 상(금속간 화합물, 석출물 등)을 형성하는 과정으로, 단순 농도 구배에 의한 확산이 아니라 화학 반응을 동반한 복합적인 현상이다.

입계 확산, 표면 확산, 전위 확산은 모두 확산 경로의 분류에 해당하며, 단일 원소의 이동 메커니즘을 설명하는 것이지 합금 원소 간의 상호작용을 나타내지 않는다.

면심입방(FCC) 격자 금속에서 슬립은 가장 조밀한 면과 그 면 내에서 가장 조밀한 방향을 따라 일어난다. FCC 구조에서 {111} 면은 원자 밀도가 최고이며, 이 면 내의 <110> 방향이 가장 조밀한 슬립방향이다.

따라서 FCC 금속의 슬립계는 {111}<110>이다.

• {110}<111>은 체심입방(BCC) 구조의 특성이다.
• {0001}<2110>은 육방정밀(HCP) 구조의 기저면 슬립이다.
• {1111}, <0001>은 결정학적으로 존재하지 않는 지수 조합이다.

그림에서 냉각 시 β → L + α 반응이 일어나는데, 이는 하나의 고용체(β)가 냉각되면서 액상(L)과 다른 고용체(α)로 분해되는 반응이다. 이러한 반응을 재융(재용융)반응이라 하며, 공정반응(L→α+β), 포정반응(L+α→β), 편정반응(L1→L2+α)과 구분된다.

'불순물 합금원소가 첨가될수록 축적에너지의 양은 감소한다'는 거짓이다—불순물이나 합금원소는 전위 고착(pinning)을 강화하여 전위 밀도를 높이고, 결과적으로 축적에너지를 증가시킨다.

축적에너지(stored energy)는 금속 냉간가공 후 결정격자의 위치에너지로 저장되는 에너지로, 회복 과정에서 감소하는 에너지원이다.

• 결정입도 설명은 참—결정입도가 감소하면 입계 밀도가 증가하여 결함 저장량이 늘어나고 축적에너지가 증가한다.
• 내부 변형 설명은 참—전위 밀도, 쌍정, 적층결함 등 내부 변형이 복잡할수록 에너지 저장량이 크다.
• 가공온도 설명은 참—낮은 온도에서 변형하면 원자 재배열이 제한되어 전위와 결함이 많이 남고 축적에너지가 증가한다.

결정립 내 원자는 주변의 여러 원자로부터 균등한 원자간 결합을 받지만, 결정입계의 원자는 한쪽 방향의 원자 이웃이 부족하여 결합 배위수가 낮다. 결과적으로 입계 원자의 결합에너지는 더 크다(더 높은 에너지 상태). 결합에너지가 크다는 것은 그 상태가 불안정하고 에너지가 높다는 의미이므로, 결정입계 원자는 결정립 내 원자보다 결합에너지가 크고 불안정한 상태에 있다.

공정형 상태도에서 순수한 금속 M에 소량의 금속 N을 첨가했을 때 M의 응고점이 저하하는 현상은 용융액 내 N 원자의 확산 운동으로 설명된다.

순수 M의 응고점에서 액상 M-N 합금이 존재할 때, N 원자들이 액체 상태에서 자유롭게 운동하면서 M 원자의 결정화를 방해하므로 더 낮은 온도에서만 고체가 형성될 수 있다. 이는 희석용액의 응고점 강하(colligative property)와 같은 원리로, 용질 입자의 물리적 운동이 용매의 상변화 온도를 낮추는 현상이다.

따라서 N의 절대 응고점 값이나 결정구조 차이, 단순한 응고점 차이만으로는 합금의 응고점 강하를 설명할 수 없고, 원자의 확산 운동이라는 동역학적 원인이 가장 근본적인 설명이다.

냉간가공된 금속을 가열할 때 일어나는 미세조직 변화의 순서는 회복(recovery) → 재결정(recrystallization) → 결정립 성장(grain growth)이다.

회복은 가장 낮은 온도에서 먼저 일어나며, 냉간가공으로 생긴 전위(dislocation)가 소멸하면서 경도와 강도가 부분적으로 회복되는 단계다.

재결정은 더 높은 온도에서 일어나는데, 변형된 결정립이 완전히 사라지고 새로운 변형되지 않은 결정핵이 생성되어 성장함으로써 미세한 새 결정립들이 형성되는 단계다. 결정립 성장은 가장 높은 온도에서 마지막에 일어나며, 재결정된 작은 결정립들이 합병되어 점차 커지는 단계다.

금속간 화합물은 성분 원자가 단위격자 안의 일정한 자리를 점유하는 복잡한 결정구조를 가지므로 단단하고 취약해 소성변형이 어렵다. 규칙·불규칙 변태는 온도에 따라 원자 배열이 규칙과 불규칙 사이를 오가는 규칙격자(고용체)의 특징이다. 금속간 화합물은 녹을 때까지 규칙 배열을 유지하므로 이 변태가 없다. 주기율표에서 같은 족에 속하는 원소끼리는 화합물을 거의 만들지 않는다는 설명도 옳다.

용질원자와 칼날전위(edge dislocation)의 상호작용은 Cottrell effect로 불린다. 칼날전위 주변의 응력장에서 용질원자들이 편집되어(segregation) 전위의 이동을 저항하는 현상이며, 이를 통해 항복점 상승(yield point phenomenon)을 설명한다.

• Oxidation pinning은 산화물에 의한 전위 고정으로 다른 개념이다.
• Frank-read source는 전위 생성 메커니즘으로 다른 개념이다.
• Peierls stress는 격자 저항으로 다른 개념이다.

고용체강화란 용매원자의 격자에 용질원자가 고용되어 순금속보다 강한 합금이 되는 현상이다. 용매원자와 용질원자의 크기 차이가 클수록 격자 변형이 커져 강화 효과도 커진다. 또 용질원자가 만드는 응력장이 전위의 응력장과 상호작용해 전위의 이동을 방해함으로써 재료가 강해진다. 따라서 크기 차이가 적을수록 강화된다는 설명과 전위 이동을 원활하게 한다는 설명은 틀리다.

재결정집합조직(recrystallization texture)은 냉간가공 후 가열(어닐링)할 때 새로운 결정립이 형성되는 과정에서 나타나는 현상으로, 냉간가공 직접의 결과가 아니라 재결정 후에 형성되므로 냉간가공으로 생긴 집합조직이 아니다.

냉간가공(cold working)으로 인해 금속 내부에 형성되는 집합조직은 변형집합조직(deformation texture), 섬유상조직(fibrous texture), 가공집합조직(work texture)이다. 이들은 모두 냉간가공 시 결정립이 가공 방향으로 늘어나고 원자의 전단변형으로 인해 특정 결정면이 선호 방향을 갖게 되면서 발생한다.

정답은 '심냉처리'이다.

심냉처리는 담금질된 강을 $0\,^{\circ}\mathrm{C}$ 이하의 온도에서 냉각하는 처리이다.

• 풀림처리는 강을 가열한 뒤 서랭하는 처리이다.
• 불림처리는 강을 가열한 뒤 공랭하는 처리이다.
• 항온열처리는 일정 온도로 유지하며 변태시키는 처리이다.

강의 담금질성은 조미니 시험(일단 담금질), 임계지름, 임계냉각속도로 판단한다. 강박시험은 담금질성을 평가하는 방법이 아니다.