10년 1회차

피복 재료로 적절하지 않은 것은 텅스텐탄화물(WC)이다.

WC는 코발트(Co)와 소결해 초경합금 공구의 모재(기판)를 이루는 재료이고, 피복은 그 위에 CVD·PVD로 얇게 입히는 경질·내열·화학적 안정 층이다.

• 티타늄탄화물(TiC): 경도가 높아 내마모성을 주는 대표 피복층이다.
• 티타늄질화물(TiN): 금색 피복으로, 마찰을 줄이고 공구 수명을 늘린다.
• 알루미늄산화물($\mathrm{Al_2O_3}$): 고온에서 화학적으로 안정해 확산·산화 마모를 막는 피복층이다.

연성 파괴는 취성 파괴보다 더 많은 변형률 에너지가 필요하므로, 적은 에너지가 필요하다는 설명이 옳지 않다.

연성 파괴는 균열 선단에서 큰 소성 변형이 일어나며 에너지를 흡수하므로 파괴까지 많은 에너지가 소모된다.

• 균열 주위에 상당한 소성 변형이 일어난다 — 연성 파괴의 특징으로 옳다.
• 파괴 전에 네킹이 나타난다 — 컵-콘 파면으로 이어지는 연성 파괴의 특징으로 옳다.
• 균열이 천천히 진전한다 — 소성 변형이 균열 진전을 늦추므로 옳다.

크리프시험과 표면거칠기시험은 관계가 없으므로 옳지 않은 짝이다.

크리프시험은 고온에서 일정 하중을 장시간 가해 시간에 따른 변형(크리프 변형률)과 파단 시간을 측정하는 시험이다.

• 충격시험–샤르피시험: 노치 시험편을 진자로 파단해 흡수 에너지를 재는 대표 충격시험이다.
• 연성파괴시험–인장시험: 인장시험에서 연신율·단면수축률로 연성을 평가한다.
• 경도시험–로크웰경도시험: 압입 깊이로 경도를 재는 대표 경도시험이다.

흑연이 박편 형태로 석출된 주철은 회주철(gray iron)이다.

편상 흑연이 진동을 흡수하고 윤활 작용을 해 감쇠능·내마모성이 좋고, 압축강도가 높아 엔진 블록·브레이크 드럼·공작기계 베드에 쓰인다.

• 백주철: 탄소가 흑연이 아닌 시멘타이트($\mathrm{Fe_3C}$)로 존재해 파면이 희고 매우 단단하며 취약하다.
• 가단주철: 백주철을 장시간 풀림해 흑연을 괴상(덩어리)으로 만든 것으로 박편 흑연이 아니다.
• ductile iron: 마그네슘 등을 첨가해 흑연을 구상으로 만든 구상흑연주철로 박편 흑연이 아니다.

스플라인은 축 둘레에 같은 간격으로 여러 개의 키(이)를 축과 일체로 깎아 낸 것이다.

여러 이가 동시에 접촉해 하중을 나누므로 큰 토크를 전달할 수 있고, 보스가 축 방향으로 미끄러질 수도 있다.

• 큰 토크를 전달하지 않는다 — 오히려 일반 키보다 큰 토크 전달에 쓰인다.
• 키 홈 때문에 축 강도가 저하된다 — 키 홈을 따로 파는 묻힘 키의 단점이며, 스플라인은 응력이 분산된다.
• 마찰력으로 회전력을 전달한다 — 안장 키·평 키 같은 마찰 키의 원리이고, 스플라인은 이의 맞물림으로 전달한다.

사각나사가 저절로 풀리지 않는 자립 조건은 마찰각이 나선각 이상, 즉 $\rho \ge \lambda$이다.

나사를 푸는 데 필요한 회전력은 $P' = Q\tan(\rho - \lambda)$이다.
이 값이 0 이상이어야 외력 없이 풀리지 않으므로 $\rho - \lambda \ge 0$이 된다.

• 마찰각이 나선각보다 작으면 푸는 힘이 음수가 되어 하중만으로 저절로 풀린다.
• 자립 여부는 마찰각과 나선각의 대소 관계로 결정되므로 둘과 상관없다는 설명은 틀리다.

최대주응력설에 쓰는 상당 굽힘모멘트는 굽힘모멘트와 상당 비틀림모멘트의 평균, 즉 $M_e=\dfrac{1}{2}\left(M+\sqrt{M^2+T^2}\right)$이다.

굽힘응력 $\sigma=\dfrac{32M}{\pi d^3}$와 비틀림응력 $\tau=\dfrac{16T}{\pi d^3}$로 최대주응력을 구하면 $\sigma_{max}=\dfrac{\sigma}{2}+\sqrt{\left(\dfrac{\sigma}{2}\right)^2+\tau^2}=\dfrac{32}{\pi d^3}\cdot\dfrac{1}{2}\left(M+\sqrt{M^2+T^2}\right)$이다.
이것을 순수 굽힘 꼴 $\dfrac{32M_e}{\pi d^3}$와 같게 놓은 값이 상당 굽힘모멘트이다.

• 제곱합의 제곱근만 쓴 식은 최대전단응력설의 상당 비틀림모멘트 $T_e$에 해당한다.
• 굽힘모멘트와 제곱근 항을 더하기만 한 식은 1/2 계수가 빠져 실제 값의 2배가 된다.
• 두 모멘트를 단순히 더해 절반한 식은 응력 합성(제곱합) 관계를 반영하지 않았다.

원주 방향 응력은 210, 축 방향 응력은 105 $\mathrm{kgf/cm^2}$이다.

단위를 cm로 맞추면 $t = 0.6\,\mathrm{cm}$, $D = 18\,\mathrm{cm}$이다.

원주 방향: $\sigma_t = \dfrac{pD}{2t} = \dfrac{14 \times 18}{2 \times 0.6} = 210\,\mathrm{kgf/cm^2}$
축 방향: $\sigma_z = \dfrac{pD}{4t} = \dfrac{14 \times 18}{4 \times 0.6} = 105\,\mathrm{kgf/cm^2}$

• 박판 원통에서는 원주 방향 응력이 축 방향의 2배이므로, 축 방향이 원주 방향보다 큰 조합은 성립하지 않는다.
• 원주 420·축 210 조합은 식의 분모에서 2를 빠뜨려($\dfrac{pD}{t}$, $\dfrac{pD}{2t}$) 각각 2배로 계산한 값이다.

캐리어를 고정하면 유성기어장치는 보통 기어열이 되어, 내접기어를 구동할 때 태양기어는 반대 방향으로 더 빨리(역전증속) 돈다.

캐리어 고정 시 유성피니언은 아이들러 역할만 하므로 내접기어(내접)와 태양기어(외접)의 회전 방향이 반대가 된다.
속도비는 $\dfrac{N_S}{N_I}=\dfrac{Z_I}{Z_S}>1$이므로 태양기어는 증속된다.

• 태양기어를 고정하고 캐리어를 구동하면 내접기어는 같은 방향으로 $\dfrac{Z_I+Z_S}{Z_I}$배 빨라지므로 감속이 아니라 증속이다.
• 내접기어를 고정하고 태양기어를 구동하면 캐리어는 $\dfrac{Z_S}{Z_I+Z_S}$배로 느려지므로 증속이 아니라 감속이다.
• 태양기어를 고정하고 내접기어를 구동하면 캐리어는 같은 방향으로 $\dfrac{Z_I}{Z_I+Z_S}$배 감속되므로 역전이 아니다.

플라스틱 성형과 관계없는 공정은 인발성형이다.

인발은 금속 봉·선재를 다이 구멍으로 당겨 단면을 줄이는 금속 소성가공이다.

• 압출성형: 용융 수지를 다이로 밀어내 파이프·필름·봉 등 연속 단면을 만드는 플라스틱 성형법이다.
• 사출성형: 용융 수지를 금형에 고압 주입해 복잡한 형상을 대량 생산하는 대표 플라스틱 성형법이다.
• 압축성형: 가열한 금형에 재료를 넣고 가압하는 방법으로 주로 열경화성 수지 성형에 쓰인다.

다이캐스트법은 주로 비철금속(알루미늄·아연·마그네슘 합금 등) 주조에 쓰이므로, 철금속 주조에 쓰인다는 설명이 옳지 않다.

철금속은 용융점이 높아 금형 수명이 크게 줄기 때문에 저융점 비철합금이 다이캐스팅의 주 대상이다.

• 원심주조는 고속 회전하는 사형·금형에 쇳물을 부어 원심력으로 주물을 만든다 — 옳다.
• 원심주조로 주철관·주강관·실린더 라이너·포신 등 중공 원통 제품을 만든다 — 옳다.
• 다이캐스트는 용융금속을 강한 압력으로 금형에 주입·가압한다 — 옳다.

이 현상과 관련이 없는 것은 스프링 백이다.

인장 소성 후 역방향 항복응력이 낮아지는 현상은 바우싱어(Bauschinger) 효과이며, 역방향 하중에서 재료가 무르게 되는 변형률 연화·가공 연화와 같은 맥락이다.

• 스프링 백: 굽힘 등 소성가공 후 하중을 제거하면 탄성 회복으로 형상이 되돌아가는 현상으로, 항복응력의 비대칭과는 다르다.
• 변형률 연화·가공 연화: 역방향 변형에서 항복응력이 낮아지는 바우싱어 효과를 설명하는 연화 현상으로 관련이 있다.

옳은 설명은 ㄷ, ㄹ, ㅁ, ㅂ이다. 표면의 인장잔류응력은 해롭고, 잔류응력은 온도구배로 생기며 풀림·소성변형·자연시효로 줄일 수 있다.

표면 인장잔류응력은 외부 하중의 인장응력에 더해져 균열 발생·성장을 촉진하므로 피로수명과 파괴강도를 떨어뜨린다(ㄷ).
불균일한 가열·냉각에 따른 온도구배는 부위별 열팽창·수축 차이를 만들어 잔류응력의 원인이 되고(ㄹ), 풀림이나 소성변형 추가로 제거·완화할 수 있으며(ㅁ), 실온에서 오래 두는 자연시효로도 일부 이완된다(ㅂ).

• ㄱ: 표면 인장잔류응력이 피로수명과 파괴강도를 향상시킨다는 설명은 반대로, 이를 높이는 것은 숏피닝 등으로 만든 압축잔류응력이다.
• ㄴ: 응력부식균열은 인장응력 아래에서 생기므로, 표면 압축잔류응력은 오히려 응력부식균열을 억제한다.

열간가공 제품은 냉간가공 제품보다 균일성이 적다는 설명이 옳다.

열간가공은 고온에서 산화·불균일 냉각이 생겨 조직과 치수가 고르지 않은 반면, 냉간가공은 상온에서 이루어져 치수 정밀도와 표면이 좋다.

• 열간가공의 표면 거칠기가 더 좋다 — 고온 산화 스케일 때문에 오히려 냉간가공이 우수하다.
• 열간가공이 더 정밀한 치수 공차를 갖는다 — 열수축·산화로 냉간가공보다 정밀도가 낮다.
• 열간가공이 가공이 용이하지 않다 — 재결정온도 이상에서 변형저항이 작아 오히려 가공이 쉽다.

증기원동기의 기본 사이클은 랭킨 사이클이다.

랭킨 사이클은 펌프 가압 → 보일러 가열 → 터빈 팽창 → 복수기 응축의 4과정으로 물이 상변화하며 순환하는 증기동력 사이클이다.

• 오토 사이클: 정적 연소 과정을 갖는 가솔린 기관의 기본 사이클이다.
• 디젤 사이클: 정압 연소 과정을 갖는 디젤 기관의 기본 사이클이다.
• 브레이톤 사이클: 정압 가열·방열로 이루어진 가스터빈의 기본 사이클이다.

스페로다이징(구상화 풀림)은 미세 펄라이트가 아니라 시멘타이트를 구상(球狀)으로 만드는 처리이므로 옳지 않다.

공석온도 부근에서 장시간 가열·유지하거나 그 위아래로 반복 가열해 층상 시멘타이트를 둥글게 뭉치게 하며, 결과적으로 가공성·인성이 좋아진다.

• 완전 풀림: 오스테나이트화 후 노냉해 조대 펄라이트 조직을 얻는다 — 옳다.
• 노말라이징: 공기 중 냉각으로 풀림보다 과도한 연화를 피하고 조직을 미세화한다 — 옳다.
• 오스템퍼링: 베이나이트로 등온변태가 끝날 때까지 유지한 뒤 공랭한다 — 옳다.

기어펌프는 일반적으로 정토출(고정 용량)형이므로 가변토출형으로 제작이 가능하다는 설명이 옳지 않다.

기어펌프는 맞물린 기어의 이 공간 체적이 고정되어 있어 회전당 토출량을 바꿀 수 없고, 가변 용량은 베인펌프·피스톤펌프에서 구현된다.

• 베인펌프: 베인이 원심력·유압으로 캠링에 밀착되어 마멸되어도 토출 성능이 유지된다 — 옳다.
• 피스톤펌프: 고압에 견디고 효율이 높다 — 옳다.
• 용적형은 정량 토출, 비용적형은 저압 대유량 수송에 쓰인다 — 옳다.

2사이클 기관은 4사이클 기관보다 연료소비가 많다. 따라서 연료소비가 적다는 것은 장점이 아니다.

2사이클 기관은 소기 과정에서 새 혼합기 일부가 연소되지 않고 배기구로 빠져나가는 소기 손실(단락 손실)이 생겨 연료소비율이 나쁘다.

• 소형 경량으로 만들 수 있다 — 밸브 기구가 없어 2사이클의 장점이다.
• 구조가 간단해 저가로 제작할 수 있다 — 2사이클의 장점이다.
• 이론상 4사이클의 2배 출력 — 크랭크 1회전마다 폭발하므로 2사이클의 장점이다.

수평으로 당기는 힘에서 마찰력을 뺀 알짜힘으로 5초간 가속하므로, 상자의 속도는 약 25 m/s이다.

마찰력: $F_f=\mu mg=0.3\times50\times9.8=147\ \mathrm{N}$
알짜힘: $F=400-147=253\ \mathrm{N}$
가속도: $a=\dfrac{F}{m}=\dfrac{253}{50}\approx5.06\ \mathrm{m/s^2}$
속도: $v=at=5.06\times5\approx25.3\ \mathrm{m/s}$

정지 상태에서 출발하므로 충격량-운동량 관계 $(P-\mu mg)t=mv$로 한 번에 구해도 같은 값이다.

• 10 m/s는 알짜힘이 약 100 N일 때의 값으로, 마찰력을 과대 반영한 결과다.
• 40 m/s는 마찰력을 무시한 값($\dfrac{400\times5}{50}=40$)이다.
• 50 m/s는 마찰이 없을 때의 최댓값 40 m/s보다도 커서 성립할 수 없다.

절연성 가공액 속에서 전극 형상을 금형에 전사하는 가공법은 방전가공법(EDM)이다.

전극과 공작물 사이의 불꽃 방전으로 재료를 녹여 제거하므로, 공작물이 도전성이기만 하면 경도와 관계없이 가공할 수 있어 경화된 금형 가공에 널리 쓰인다.

• 전자빔가공: 진공 중에서 고속 전자빔을 집중시켜 용융·증발시키는 가공으로 가공액을 쓰지 않는다.
• 플라즈마 아크 가공: 고온 플라즈마 제트로 금속을 용융·절단하는 방법이다.
• 초음파가공: 공구의 초음파 진동과 연삭 입자로 취성 재료를 깎아 내는 방법이다.