[금속재료기사 필기] 19년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

ASTM 표준에서 결정 입도 번호(grain size number) $n$과 1 inch² 당 평균 결정립 수 $N$의 관계는 $N = 2^{n-1}$(100배 배율 기준)이다. 입도 번호 7일 때, $N = 2^{7-1} = 2^6 = 64$개이다. 따라서 100배 배율로 촬영한 1 inch² 당 평균 결정립 수는 64개이다.

순철은 910℃(A3)에서 체심입방(α-Fe)이 면심입방(γ-Fe)으로 바뀌는 동소변태를 한다. 1394℃(A4)에서도 γ-Fe가 δ-Fe로 바뀌는 동소변태가 일어난다. 210℃는 시멘타이트의 자기변태(A0), 723℃는 강의 공석변태(A1) 온도이고, 1537℃는 순철의 용융점에 해당한다.

마그네슘의 원료에 관한 설명이 틀렸다. 보크사이트와 헤마타이트는 각각 알루미늄과 철의 주요 광석이며, 마그네슘은 주로 돌로마이트(MgCO₃·CaCO₃)와 해수에서 채취된다.
마그네슘의 비중은 약 1.74로 실제로 매우 가볍다.
열전도도는 Cu(약 400W/m·K), Al(약 240W/m·K)보다 마그네슘(약 160W/m·K)이 낮은 것이 맞다.
마그네슘이 알칼리에는 잘 견디지만 산과 염기(알칼리) 모두에 침식되는 것으로, 특히 산성 환경에서 빠르게 반응한다는 점이 맞다.

강의 표면경화 열처리 중 고체 침탄에서 촉진제의 역할은 침탄 반응 속도를 높이고 탄소 포텐셜을 증가시키는 것입니다. BaCO₃(탄산바륨)는 고체 침탄 촉진제로 가장 널리 사용되며, 고온에서 분해되어 CO 등의 탄소 공급 가스를 생성하고 침탄 반응을 활발하게 촉진합니다. KCN은 액체 침탄에서 사용되고, KCl과 NaCl은 침탄 촉진제로서 BaCO₃에 비해 효과가 낮으며 사용 빈도가 적습니다.

실루민(Silumin)은 Al-Si 계 주조합금으로 열팽창계수와 탄성계수 모두 온도에 따라 변화가 크며, 저팽창합금의 범주에 속하지 않아 문제에서 요구하는 특성과 가장 거리가 멀다.
온도변화에 따른 열팽창계수와 탄성계수의 변화가 적은 합금은 저팽창합금(invar alloy)으로 분류된다.
엘린바(Elinvar)는 Fe-Ni 계열로 온도에 따른 탄성계수 변화를 최소화하도록 설계되었다.
슈퍼인바(Super Invar)는 Fe-Ni-Co 계열로 극도로 낮은 열팽창계수를 유지한다.
플라티나이트(Platinite)는 Fe-Ni 계열로 백금과 유사한 열팽창 특성을 가져 정밀기기에 사용된다.

온도구배가 시간에 따라 변화한다는 것은 시스템 내 온도분포가 계속 변하고 있다는 뜻으로, 이는 아직 열이 재분배되는 비평형 과정 중임을 나타낸다. 열역학적 평형은 시간에 따라 거시적 성질이 변하지 않는 상태를 의미한다.
엔트로피 최대값은 고립계 평형의 조건이다.
내부에너지 무변화는 에너지가 더 이상 흐르지 않음을 의미한다.
자유에너지 무변화(ΔG=0 또는 ΔF=0)는 정온정압 또는 정온정적 조건에서 평형의 판정기준이다.
따라서 온도구배의 시간 변화만이 평형 상태가 아닌 과정적 특성을 나타낸다.

규칙용액(regular solution)은 혼합 엔트로피는 이상용액과 같지만, 혼합열이 0이 아닌 용액으로 정의된다. “2원계에서 한 성분의 몰분율이 0.5일 때 혼합열이 0 이다”는 틀렸다. 2원계에서 $x_1 = x_2 = 0.5$일 때 혼합열은 $H_{mix} = \Omega (0.5)(0.5) = 0.25\Omega$이며, 규칙용액의 $\Omega \neq 0$이므로 혼합열은 0이 아니다.
“혼합열은 조성에 따라 다르다”는 정확하다. 규칙용액에서 혼합열 $H_{mix} = \Omega x_1 x_2$이므로 조성에 따라 변한다.
“혼합 엔트로피는 이상용액의 엔트로피와 같다”도 정확하다. 규칙용액의 엔트로피는 이상용액의 엔트로피와 같으므로 $S_{mix} = -R(n_1 \ln x_1 + n_2 \ln x_2)$이다.
“성분의 활동도 계수는 온도에 따라 변한다”도 정확하다. 활동도 계수 $\ln \gamma_i = \frac{\Omega}{RT}(...)$ 형태로, 상호작용 모수 $\Omega$는 온도에 따라 변하므로 $\gamma$도 온도 의존성을 가진다.

고로 열정산에서 코크스 연소열은 열풍 현열과 함께 입열 항목이다. 산화철 환원열, 노정가스 현열, 석회석 분해열은 모두 출열 항목이다.

“저압 조건보다 고압 조건에서 잘 일어난다”가 틀렸다. 이 반응은 르샹텔리에 원리에 따라 기체 분자 수가 증가(1분자 → 2분자)하므로 저압 조건에서 평형이 우측으로 이동하여 더 잘 진행된다.
부두아 곡선(Boudouard curve)의 Carbon Solution 반응은 CO₂ + C → 2CO 반응으로, 고온에서 탄소와 이산화탄소가 반응하여 일산화탄소를 생성한다.
반응식 ‘CO₂ + C → 2CO’는 정확하므로 참이다.
이 반응은 고온(약 700°C 이상)에서 진행되므로 “저온보다는 고온부에서 반응이 잘 일어난다”는 참이다.
Carbon Solution 반응은 탄소 소비 반응이므로 Carbon Loss 반응이라고도 부르는 것이 맞다.

입방정의 면간거리는 $d_{hkl} = \dfrac{a}{\sqrt{h^2+k^2+l^2}}$이다. BCC에서 (110)은 h+k+l이 짝수이므로 회절이 허용되는 면이다. 대입하면 $d_{110} = \dfrac{a}{\sqrt{1^2+1^2+0^2}} =$$\dfrac{a}{\sqrt{2}}$이다.

진변형률(진정변형률, true strain)은 $\varepsilon_t = \ln\left(\frac{L_f}{L_i}\right)$로 정의된다. 초기 길이 $L_i = 1\text{ m}$, 최종 길이 $L_f = 2\text{ m}$이므로, $\varepsilon_t = \ln\left(\frac{2}{1}\right) = \ln(2) \approx 0.693$이다. 따라서 진변형률은 약 0.69이다.

bcc 금속의 {110}<111> 슬립계는 {110}면 6개 × 면당 <111> 방향 2개로 12개이며, 3개가 아니다. fcc 금속은 {111}<110>으로 면 4개 × 방향 3개 = 12개이다.

변형 저항(항복강도)을 높이는 기구는 전위의 이동을 방해하는 것인데, 용매원자는 모재를 구성하는 주성분 원자로서 이미 기지(matrix)를 형성하고 있어 추가적인 저항 메커니즘을 제공하지 않는다. 따라서 변형 저항 강화와 가장 거리가 먼 것은 용매원자다.
전위밀도: 높을수록 전위 간 상호작용으로 저항이 증가한다.
용질원자: 고용강화(solid solution strengthening)로 원자 크기 차이와 응력장으로 전위 이동을 방해한다.
결정립계: Hall-Petch 강화로 결정립이 미세할수록 저항이 증가한다.

양극산화(anodizing)는 알루미늄을 양극으로 하여 산성 전해질에서 전기분해를 통해 산화피막을 형성하는 방법으로, 공업적으로 사용되는 주요 방법은 황산법, 수산법, 크롬산법 등이다. 황산법은 황산 전해질을 사용하여 가장 광범위하게 적용되고, 수산법은 옥살산(옥살산법)을 사용하며, 크롬산법은 크롬산 전해질을 사용하는 표준적인 산업 공정들이다. 염화칼륨법은 공업적으로 실제 사용되지 않는 양극산화 방법이므로 정답이다.

초점수차(defocus)는 렌즈의 결함이 아니라 렌즈와 시료 간의 거리 조절에 관한 것으로, 사용자가 초점을 맞추는 과정에서 발생하는 것이지 광학계의 구조적 결함이 아니다.
전자현미경의 렌즈 수차는 전자광학 렌즈의 구조적 결함으로 인해 발생하는 광학 왜곡이며, 다음은 모두 렌즈 자체의 결함에서 비롯된다.
색수차(chromatic aberration): 에너지가 다른 전자들이 다른 초점거리를 갖는 현상
구면수차(spherical aberration): 렌즈의 중심과 주변부를 지나는 전자의 초점이 다른 현상
비점수차(astigmatism): 상하·좌우 방향의 초점거리가 다른 현상

강박 시험은 얇은 강박(steel foil)을 염욕에 담갔다 꺼낸 뒤 강박의 잔류 탄소량을 확인하는 시험이다. 이를 통해 염욕이 강을 탈탄시키는지 판정한다. 탈탄성 염욕에서는 강박의 탄소가 빠져 담금질 후에도 굽히면 부러지지 않고 휘어진다.

화성처리는 금속 표면을 처리액과 화학 반응시켜 인산염·크롬산염 같은 무기염의 얇은 피막을 만드는 방법이다. 이 피막은 소지(기지) 금속 자체가 반응해 생긴 화합물을 포함하므로, 기지와 같은 금속의 화합물이 아니라는 설명은 틀리다. 주로 철강·아연·알루미늄의 방청과 도장 하지처리에 쓰인다.