[금속재료기사 필기] 20년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

금속의 소성변형 기구는 전위의 이동(slip)과 쌍정(twinning)으로 대표된다. 쌍정은 특정 결정면을 따라 원자층이 규칙적으로 전단변형되어 거울상 구조를 만드는 현상으로, 낮은 온도나 높은 변형률에서 발생하는 주요 소성변형 기구다. 재결정(1번)은 가열 시 새로운 결정립이 형성되는 현상으로 소성변형 후 회복 과정이고, 결정립의 변화(2번)는 변형의 결과이지 변형 기구 자체가 아니며, 핵의 생성(4번)은 응고나 상변태 과정에 해당한다.

응축계에 적용되는 상률은 F = C + 1 - P가 된다. 응축계(Condensed system)는 기체상이 없고 액체와 고체만 존재하는 계를 의미한다.
깁스 상률(Gibbs phase rule)의 일반식은 F = C + 2 - P이지만, 응축계에서는 압력이 고정되어 있거나(대기압 1기압) 압력 변화가 상평형에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도로 작아 자유도 계산에서 압력항이 하나 줄어든다. 예를 들어 물의 삼중점(얼음·물·수증기 공존)에서도 기체 수증기를 제외한 고체와 액체만 고려하면 자유도가 감소한다.

그림은 Ae1 온도에서 오스테나이트화한 후 Ms점 부근까지 급랭하여 항온 유지한 뒤 서서히 냉각시켜 Ms~Mf 구간을 천천히 통과시키는 열처리 곡선이다. 이는 Marquenching(마퀜칭)의 특징으로, Ms점 직상에서 항온 유지 후 서랭하여 균열과 변형을 방지하면서 마르텐사이트 조직을 얻는 방법이다.
Austempering은 Ms점 이상 베이나이트 구역에서 항온 유지 후 냉각하는 방식으로 그림과 다르다.
Martempering은 Marquenching과 유사한 개념이나 본 문제의 보기에서는 Marquenching이 정답으로 제시되었다.

Fe-C 평형상태도의 공정반응은 약 1130℃(1147℃)에서 일어나며, 반응은 $\mathrm{L \rightarrow \gamma + Fe_3C}$(레데뷰라이트, 4.3%C)이다. 723℃는 공석반응, 910℃는 $\alpha \leftrightarrow \gamma$ 변태(A3), 1538℃는 순철의 용융점이다.

헤드필드(Hadfield) 강은 고망간(高Mn) 강으로, 일반적으로 Mn 11~14%를 함유하며 오스테나이트 조직을 가진다. 이 강은 가공경화성(work hardening)이 매우 우수하여 충격이나 마모에 강하므로 광산 장비, 파쇄기 등 고강도 마모 부품에 사용된다. Cr 강, Ni-Cr 강, Cr-Mo 강은 모두 페라이트 또는 마르텐사이트 기지를 가지며 가공경화성이 헤드필드 강만큼 뛰어나지 않다.

마그네슘의 물리·화학적 성질을 검토하면, 마그네슘은 육방최밀충전(HCP, hexagonal close-packed) 구조의 금속이며, 면심입방(FCC) 격자가 아니다. 산에 침식되는 것은 마그네슘이 활발한 금속이므로 참이고, 밀도는 약 1.74 g/cm³로 정확하며, 녹는점은 약 650℃(648~651℃)로 기술된다. 따라서 정답은 4번이다.

기체가 하는 일의 양은 약 31030 J이다.
등온 가역 팽창에서 기체가 하는 일은
$W = nRT\ln\frac{V_f}{V_i} = nRT\ln\frac{P_i}{P_f}$
로 구한다.
온도는 절대온도로 변환하여 $T = 500 + 273 = 773\text{ K}$를 사용한다.
주어진 값을 대입하면
$W = 3 \times 8.314 \times (500+273) \times \ln\frac{1}{0.2}$
$W = 3 \times 8.314 \times 773 \times \ln 5 = 24.942 \times 773 \times 1.609 = 19,265 \times 1.609 \approx 31,030\text{ J}$
이다.

깁스의 상률(Gibbs phase rule)은 f = c - p + 2로 표현되며, 여기서 f는 자유도(독립적으로 변할 수 있는 변수의 개수), c는 성분 수, p는 평형상의 개수를 나타낸다. 이 식은 다성분 다상 평형계에서 온도, 압력, 조성 등 독립변수의 개수를 결정하는 기본 원리로, 상평형도 작성과 상변화 분석에 필수적인 열역학 법칙이다.

엘링감 도표에서 직선의 기울기는 $-\Delta S^\circ$이다. 온도가 비등점보다 높아지면 반응물인 금속 M이 기체가 되므로 반응의 엔트로피 감소 폭($|\Delta S^\circ|$)이 크게 늘어난다. 그 결과 직선의 기울기가 증가하며, 꺾이는 폭은 용융점에서보다 크다.

이 문항은 실제 시험에서 전항정답으로 처리된 문항입니다. 출제 오류로 판단되어 어느 선택지를 골라도 정답으로 인정되었습니다. 여기서는 채점을 위해 한 선택지만 정답으로 두었으니, 다른 것을 고르셨더라도 틀린 판단이 아닙니다.
반응식 $Fe_2O_3 = Fe + \tfrac{3}{2}O_2 - 196.3\ kcal/mol$에서 흡열반응이므로 Fe 1mol(원자량 56)당 196.3 kcal가 필요하다. 1톤(1,000,000 g)의 Fe에 해당하는 몰수는 $\dfrac{1{,}000{,}000}{56} \approx 17857\ mol$이며, 필요 열량은 $17857 \times 196.3 \approx 3.505\times10^{6}\ kcal$이다. 그런데 반응식은 Fe 2mol당 196.3 kcal(Fe₂O₃ 1mol 기준)이므로 Fe 1mol당 필요 열량은 $196.3/2 = 98.15\ kcal$이고, 이를 이용하면 $17857 \times 98.15 \approx 1.753\times10^{6}\ kcal \approx 1760\times10^{3}\ kcal$가 되어 1760×10³ kcal와 일치한다.

자발적 과정은 깁스 자유에너지가 감소하는 방향으로 일어난다. 혼합 시 각 성분의 몰분율 $X_i$는 1보다 작아 $\ln X_i$가 음수이므로, 식 $\Delta G_{mix}=\sum_i n_i RT\ln X_i$의 값은 항상 음(-)의 값을 가지며 이것이 자발적 혼합의 조건이 된다.

반응 $2NiO(s) = 2Ni(s) + O_2(g)$의 $\Delta G^\circ = 489100 - 197T$(J)이고, 평형상수는 $K = P_{O_2}$이므로 $\Delta G^\circ = -RT\ln P_{O_2}$ 관계를 이용한다.
대입하면 $489100 - 197T = -RT\ln(10^{-20})$이고, $\ln(10^{-20}) = -46.05$이므로 $489100 - 197T = 8.314 \times 46.05 \times T = 382.8T$가 된다.
정리하면 $489100 = (382.8+197)T = 579.8T$이므로 $T = 489100/579.8 \approx 843\,K$로 계산되어 843 K가 평형 온도이다.

내화물의 Al₂O₃ 함량을 비교하면, 포스테라이트(forsterite) 벽돌은 MgO·SiO₂ 또는 Mg₂SiO₄를 주성분으로 하며 Al₂O₃를 거의 포함하지 않는다. 반면 납석 벽돌(Al₂O₃ 30~40%)과 샤모트 벽돌(Al₂O₃ 30~50%)은 알루미나를 상당량 함유하고, 뮬라이트 벽돌은 Al₂O₃ 72~80%로 높은 알루미나 함량을 가진다. 따라서 포스테라이트 벽돌이 Al₂O₃ 성분이 가장 적다.

깁스-헬름홀츠 관계식 $\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ$와 주어진 식 $\Delta G^\circ = -87030 + 31.7T$를 비교하면, $-T\Delta S^\circ$ 항이 $+31.7T$에 대응하므로 $\Delta S^\circ = -31.7$이고 온도에 무관한 상수항이 곧 표준엔탈피변화가 된다. 따라서 $\Delta H^\circ = -87030$ J이다.

라울의 법칙을 따르는 이상 용액에서는 활동도 계수(activity coefficient) γ = 1이 성립한다. 라울의 법칙의 정의 자체가 모든 성분에서 γ = 1인 이상적 거동을 나타내므로, 성분 B의 조성(X_B)에 관계없이 γ_B = 1이다. 반면 활동도 a_B = γ_B × X_B이므로 X_B가 변하면 a_B도 변하게 된다. 따라서 정답은 1번이다.

제겔 콘(Seger cone) 27은 도자기, 유리 등의 소성온도를 측정하는 표준 피로미터로, 표준온도 1600℃에서 구부러진다. 제겔 콘은 국제적으로 인정된 규격으로 각 콘 번호마다 정해진 표준 소성온도가 있으며, 콘 27은 고온용 도자기 소성에 널리 사용되는 기준점이다.

Na₂O–CaO–MnO 조합은 Na₂O·CaO·MnO 모두 염기성 산화물로, MnO는 MnO(+2가 망간)로 염기성을 띤다.
염기성 산화물은 물에 녹거나 산과 반응하여 염을 생성하는 산화물로, 주로 1족·2족 금속(Na, K, Ca, Mg 등)의 산화물이다.
SiO₂–CaO–MnO는 SiO₂(산성)·CaO(염기성)·MnO(염기성) 혼합이다.
CaO–MgO–P₂O₅는 CaO(염기성)·MgO(염기성)·P₂O₅(산성) 혼합으로 염기성만 구성되지 않는다.
CaO–Al₂O₃–SiO₂도 CaO(염기성)·Al₂O₃(양성)·SiO₂(산성) 혼합이다.

두 온도의 물을 혼합할 때 전체 엔트로피는 증가한다. 이는 열역학 제2법칙에 의한 비가역 과정의 특성이다.
온도 차이가 있는 두 물체가 자발적으로 열을 교환하면서 최종적으로 평형 상태(같은 온도)에 도달하는 과정에서 우주의 엔트로피가 항상 증가하기 때문이다.
찬 물이 흡수하는 열량을 Q라 하면, 찬 물의 엔트로피 증가량은 Q/T_cold(높음)이고 따뜻한 물의 엔트로피 감소량은 Q/T_hot(낮음)이므로,
전체 엔트로피 변화 ΔS_total = Q/T_cold − Q/T_hot > 0이 되어 증가한다.

정압 열용량(CP)은 일정한 압력에서 온도를 1 K 올리는 데 필요한 열량이고, 정적 열용량(CV)은 일정한 부피에서 온도를 1 K 올리는 데 필요한 열량이다. 정압 과정에서는 기체가 팽창하면서 외부에 일을 하므로, 정적 과정보다 더 많은 열이 필요하다. 따라서 CP > CV이며, 이 관계는 Mayer 관계식 $C_P - C_V = nR$(이상기체)로도 확인된다. 그러므로 CP/CV > 1이다.

인장시험에서 균일신장(uniform elongation)은 전체 시편이 균등하게 늘어나는 구간을 의미하며, 최대하중(상한강도) 도달 전까지 일어난다. 탄성한계는 선형탄성 거동 구간으로 전체가 균일하게 변형되고, 상부·하부항복점 구간도 항복 후 균일한 소성변형이 진행된다. 반면 파단점은 최대하중 이후 국소수축(necking) 영역에서 발생하므로 전체 시편이 아닌 목 부분에만 집중된 비균일 변형이 일어나며, 따라서 균일신장이 일어나지 않는다.

2차 크리프(secondary creep)는 정상 크리프(steady-state creep) 구간으로, 가공경화와 회복(동적 재결정화)이 동적 평형을 이루어 변형률이 일정한 속도로 증가하는 특징을 가진다. “가공경화 후 회복이 서로 균형을 이루는 구간”은 이 원리를 정확히 설명한다.
“재료의 저항성이 재료 변형에 의해 증가하는 구간”은 1차 크리프의 특징으로, 가공경화가 지배적이어서 저항성이 증가하고 변형속도가 감소하는 구간이다.
“내부 공동 형성으로 유효 단면적이 감소하는 구간”은 3차 크리프(가속 크리프)의 특징으로, 내부 공동 형성과 목 현상으로 인한 유효 단면적 감소가 나타난다.
“전위의 증식속도가 소멸속도보다 빨리 이루어지는 구간”은 1차 크리프에서의 전위 거동으로, 2차 크리프에서는 전위 증식과 소멸이 평형을 이룬다.

루더스 밴드(Lüders band)는 항복 후 국소 변형이 일어나면서 생기는 띠 모양의 패턴으로, 재료의 항복강도 거동과 관련된 별개의 결함이며 오렌지필의 발생 메커니즘과는 상관없다.
오렌지필(orange peel)은 판재 프레스 성형 후 표면에 나타나는 조대한 결정립으로 인한 거칠기 결함이다. 결정립이 조대할수록 개별 결정의 미끄러짐이 두드러져 표면이 울퉁불퉁한 오렌지 껍질 같은 패턴을 형성하므로, 결정립 수 부족, 결정립 조대화, 결정방향성에 따른 이방성 변형은 모두 오렌지필의 직접적인 원인이다.

“상온의 시효과정에서 나타나는 불균일 변형을 말한다”가 틀렸다. PLC 효과는 상온 시효가 아니라 고온 소성변형 중에 일어나는 동적 시효에서 발생하며, 상온 시효(static strain aging)와 동적 시효(dynamic strain aging)는 별개의 현상이다.
Portevin-Le Chatelier(PLC) 효과는 동적 시효(dynamic strain aging)로 인해 발생하는 현상이다.
“응력-변형률 곡선상에 나타나는 톱니모양의 변형”은 톱니모양(serrated flow)의 특성을 올바르게 설명하고 있다.
탄소강에서 230~370℃의 온도 범위에서 소성변형 중 PLC 효과가 나타나는 것이 맞다.
불균일한 소성변형으로 인해 연성과 충격인성이 감소하는 것도 올바르다.

탄성계수(영률)는 공식 $E = \frac{\sigma}{\varepsilon} = \frac{F/A}{\Delta L/L_0}$로 구한다. 주어진 값: 지름 6mm, 길이 200mm, 인장력 100N, 늘어난 길이 2mm
단면적 $A = \frac{\pi d^2}{4} = \frac{\pi \times 6^2}{4} = 9\pi \approx 28.27 \text{ mm}^2$
응력 $\sigma = \frac{F}{A} = \frac{100}{28.27} \approx 3.54 \text{ N/mm}^2$
변형률 $\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} = \frac{2}{200} = 0.01$
탄성계수 $E = \frac{3.54}{0.01} = 354 \text{ N/mm}^2$로, 하중 제거 후 원상태로 돌아간 것은 탄성변형 범위임을 확인할 수 있다.

전단 하중은 전단응력 = 전단력 / 전단면적 공식으로 구한다. 주어진 값: 전단저항 450MPa, 두께 2mm, 원둘레 200mm이다.
전단면적은 원판을 자를 때 원둘레와 두께의 곱이므로
$A = 200 \times 2 = 400\text{ mm}^2$
이다.
필요한 전단 하중은
$F = \text{전단저항} \times \text{전단면적} = 450 \text{ MPa} \times 400 \text{ mm}^2$
이다. 단위를 맞추기 위해
$450 \text{ N/mm}^2 \times 400 \text{ mm}^2 = 180,000 \text{ N} = 180 \text{ kN}$
이다.

인산염액에 금속 재료를 침지하여 표면에 인산염 피막을 형성하는 방식을 파커라이징(Parkerizing)이라 한다.
철강, 아연 도금 제품, 알루미늄 등의 금속 표면에서 인산염이 화학 반응하여 회색 또는 검은색의 치밀하고 내식성 있는 피막을 만들며, 이는 방청 및 도장의 밑칠로도 널리 사용된다.
도금처리는 전해질 용액에서 금속을 입히는 방식이다.
경질피막처리는 산화피막 경화 처리이다.
무전해도금처리는 화학 환원으로 금속을 입히는 방식이다.
이들은 모두 상이한 원리이다.

공업적인 용융도금에는 융점이 낮은 Zn(약 420℃)·Sn(약 232℃)·Al(약 660℃)이 쓰인다. Ti는 융점이 약 1668℃로 높다. 또한 고온에서 산소·질소와 격렬히 반응하므로 용융도금에 적합하지 않다.

분산도금에서 분산재는 도금액에 균일하게 분산되어야 하고, 도금 과정에서 안정적으로 유지되며, 피막의 물성을 개선하는 특성을 가져야 한다. CuO는 도금액(산성 또는 알칼리성 환경)에서 화학적으로 불안정하여 용해되거나 반응하기 쉽고, 특히 산성 도금액에서는 Cu²⁺ 이온으로 환원되어 분산재로 기능하지 못한다. 반면 Al₂O₃, SiC, 다이아몬드는 화학적으로 안정하고 경질이며 도금액에서 분산 상태를 유지하여 분산도금의 분산재로 널리 사용된다.

Ni는 귀금속에 가까운 성질을 가져 산화되기 어렵고 높은 전기 저항을 보이며 형성된 산화막도 불안정하다. 따라서 Ni은 일반적인 양극 산화 처리 방법으로는 효과적인 산화막을 얻기 어려워 산업적으로도 양극 산화가 거의 사용되지 않는다.
양극 산화 처리는 금속을 양극으로 하여 산화막을 형성시키는 전기화학 공정인데, 금속의 양극 산화 용이성은 금속의 활성도와 산화물의 안정성에 좌우된다. Al은 가장 널리 사용되는 양극 산화 금속으로 우수한 산화막을 형성하고, Mg과 Ti도 비교적 잘 산화된다.

오스테나이트계 스테인리스강의 용접 후 950℃ 열처리는 용접열영향부(HAZ)에서 석출된 크롬 탄화물(Cr₂₃C₆)을 다시 고용시켜 내식성을 복원하는 용접후열처리(solution annealing)다.
용접 시 발생한 열에 의해 크롬이 탄소와 결합하여 입계 부근에 크롬 탄화물이 석출되면 그 주변 영역의 크롬 농도가 저하되어 입계부식(intergranular corrosion)이 발생하는데, 950℃의 고온 용체화열처리로 이를 해소하고 내식성을 회복하게 된다.
“치수 및 형상의 변화가 필요할 때”는 소성변형이 필요한 냉간가공 후 어닐링 목적이다.
“담금질에 의한 경화가 필요할 때”는 마텐사이트계 스테인리스강의 담금질로, 오스테나이트계는 상온에서 이미 안정적인 오스테나이트 상이므로 해당 없다.
“질화물의 석출이 필요할 때”도 이 열처리 목적이 아니다.

CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법은 증착 조건이나 에너지 공급 방식에 따라 분류된다. 감압 CVD, MO CVD(유기금속 CVD), 플라즈마 CVD는 모두 실제로 사용되는 CVD의 주요 종류이다. 반면 고압 CVD는 CVD의 표준 분류에 포함되지 않으며, CVD는 일반적으로 상압 또는 감압 조건에서 운영되므로 "고압"이라는 표현은 CVD의 공식적인 분류 용어가 아니다. 따라서 정답은 고압 CVD이다.

침탄성 가스는 강철 표면에 탄소를 공급하여 침탄을 일으키는 가스로, 탄소를 함유하고 있으면서 환원성을 가져야 합니다. CO는 환원성 가스로 탄소를 공급하고, CH4와 C3H8은 탄화수소로 열분해되어 탄소를 방출하므로 모두 침탄성 가스입니다. 반면 CO2는 산화성 가스로서 강철을 산화시키고 탄소를 공급하지 않으므로 침탄성 가스가 아닙니다.

“시편은 매우 얇은 박막형태이여야 한다”는 주사전자현미경(SEM)의 핵심적 오류로, SEM은 시편의 두께에 제한이 없고 표면 형상 관찰이 주목적이므로 투과전자현미경(TEM)처럼 초박막 형태일 필요가 없다. TEM은 전자빔이 시편을 투과해야 하므로 매우 얇은 박막이 필수이지만, SEM은 표면에서 방출되는 2차 전자만 감지하므로 비교적 두꺼운 시편도 관찰 가능하다.
시편홀더는 알루미늄과 구리가 맞다.
비전도성 재료는 금속박막코팅(금, 팔라듐 등)이 필요한 것이 맞다.
2차 전자(secondary electron)를 주로 이용해 표면 형상을 이미지화하는 것도 정확하다.