[금속재료기사 필기] 19년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

2성분계 상태도의 수평선은 공정·포정 같은 3상 불변반응선으로, 자유도는 $F = C - P + 1 = 2 - 3 + 1 = 0$이다. 이 수평선은 위아래로 3개의 2상 영역(예: L+α, L+β, α+β)과 맞닿으므로 2개 영역의 경계선이라는 설명은 틀리다. 2성분계에서 3상은 수평선 위에서만 공존하며, 한 구역 안에는 존재할 수 없다.

주어진 조건 a = b = c(세 격자상수가 모두 같음)와 α=β=γ≠90°(세 축각이 모두 같으나 직각이 아님)를 만족하는 결정계는 Trigonal system(삼방정계)이다. Trigonal system은 a=b=c이면서 α=β=γ≠90°를 만족하며, 특히 세 축이 대칭적으로 기울어진 rhombohedral 구조를 가진다.
Bravais 격자는 격자상수와 축각의 관계에 따라 7개 결정계로 분류된다.
Cubic system: a=b=c이지만 α=β=γ=90°이므로 조건을 만족하지 않는다.
Triclinic system: a≠b≠c이고 α≠β≠γ이므로 조건을 벗어난다.
Orthorhombic system: a≠b≠c이고 α=β=γ=90°이다.

장범위 규칙도(long-range order parameter) S = 1은 완전히 규칙적인 정렬 상태를 의미하며, 이는 Cu와 Au 원자가 결정격자에서 특정 부위에만 배치되어 있다는 뜻이다. 따라서 배열 엔트로피는 0 J/mol이다.
배열 엔트로피는 원자들이 격자 위치에 무작위로 배열될 수 있는 정도를 나타내는데, 완전 규칙도(S = 1)에서는 원자의 위치가 완전히 고정되어 배치 방식이 1가지이므로
$S_{\text{config}} = k_B \ln(1) = 0$이다.

2단계(200~300℃)에서 잔류 오스테나이트가 분해하여 뜨임 마텐자이트(tempered martensite)와 ε탄화물을 형성한다. 탄소강의 저온 뜨임(tempering) 공정에서 잔류 오스테나이트(retained austenite)의 분해는 단계별로 진행된다.
이는 담금질 후 실온에서 완전히 마텐자이트로 변환되지 않은 잔류 오스테나이트가 가열 시 뜨임 마텐자이트와 초미세한 ε-Fe₂C 탄화물로 석출되는 과정으로, 강도와 경도를 유지하면서 인성을 개선하는 핵심 단계이다.

금속간 화합물은 두 종류 이상의 금속 원소가 화학적 결합을 이루어 형성되는 화합물로, 1·2·3번은 모두 금속간 화합물의 특성이다. 전기저항이 크고, 경도가 높으면서 취성을 나타내며, 고온에서 분해되는 경향이 있다. 반면 4번 규칙-불규칙 변태(order-disorder transformation)는 금속간 화합물이 아닌 고용체(solid solution)에서 일어나는 현상으로, 온도 변화에 따라 원자가 규칙적 배열에서 불규칙적 배열로 전환되는 것을 의미한다. 금속간 화합물은 이미 고정된 화학 조성과 결정 구조를 가지므로 규칙-불규칙 변태가 특징적이지 않다.

두랄루민(duralumin)은 Al-Cu 계 합금으로 주로 구성되며, 여기에 Zn(아연)을 추가하면 초초두랄루민(ESD)이 된다. Zn은 알루미늠 합금의 강도를 현저히 증가시키는 원소로, 두랄루민에 Zn을 첨가하면 시효경화(age hardening) 효과를 강화하여 인장강도와 경도를 더욱 높일 수 있다. C, W, Si는 알루미늠 합금 강도 향상에 주요 역할을 하지 않으므로 정답은 Zn이다.

구상흑연주철의 감쇠능을 묻는 문항이다. 구상흑연주철은 흑연이 구형으로 분산되어 있어 응력 집중이 적고, 감쇠능(damping capacity)이 일반 탄소강보다 우수하므로 '감쇠능은 일반 탄소강보다 많이 떨어진다'는 설명이 틀렸다.
내식성 개선: Si와 Ni 첨가로 내식성이 개선되는 것이 맞다.
흑연 구상화: Mg(마그네슘)이나 Ca(칼슘) 등의 구상화원소를 용탕에 첨가하여 흑연을 구상화하는 표준 공정이다.
용탕 방치: 구상화 처리 후 용탕을 방치하면 Mg가 산화·증발하여 구상화 효과가 감소하는 페딩(fading) 현상이 발생하는 것이 맞다.

엘린바(Elinvar)는 철·니켈·크롬 합금으로 만들어진 특수강으로, 가장 큰 특징은 온도 변화에 따른 탄성률 변화가 거의 없다는 것이다. 이러한 온도 안정성과 탄성 안정성이 우수한 특성을 활용하여 초음파 진동소자, 계측기기, 정밀 전자장치 등에 실제로 사용된다.
열팽창계수가 아주 크다: 엘린바는 오히려 열팽창계수가 매우 작아 온도에 영향을 받지 않으므로 정밀 계측 기구에 적합하다.
규소계 합금 금속이다: 규소계가 아닌 철·니켈·크롬계 합금이다.
구리가 다량 함유되어 전도율이 좋다: 엘린바는 구리를 포함하지 않으며 전도율이 좋은 특성은 갖지 않는다.

분말야금법은 분말을 압축·소결하여 제품을 만드는 공정으로, 제품의 크기와 형상이 금형의 크기에 의해 제한된다. 고용융점 재료도 분말 상태에서 소결하므로 제조 가능하고(1번 참), 기존 주조·단조에 비해 절삭가공을 생략하거나 최소화할 수 있으며(2번 참), 분말을 혼합하면 공공이 균일하게 분산된 복합재료 제조도 가능하다(4번 참). 따라서 정답은 제품 크기의 제한성을 간과한 3번이다.

W와 Mo 같은 고융점 금속은 열팽창계수가 낮고 탄성률(강성)이 높다는 특성을 가진다. 높은 융점과 원자 결합의 강함은 열팽창을 억제하고 탄성률을 증가시키는 요인이므로, 문항의 "열팽창계수가 높고 탄성률이 낮다"는 서술은 고융점 금속의 특성과 정반대다.
증기압이 낮다: 고융점 금속은 증기압이 낮고 고온에서도 원자 결합이 강하게 유지되므로 맞다.
Mo는 체심입방격자를 갖는다: Mo(몰리브덴)는 체심입방(BCC) 격자를 가지므로 맞다.
고온강도가 크다: 융점이 높으면 고온에서 원자 열진동이 제한되어 고온강도가 크다는 원리도 맞다.

응고 시 팽창하는 금속은 비스무스(Bi)이다. 대부분의 금속은 응고할 때 수축하지만, 비스무스는 액체 상태보다 고체 상태의 밀도가 더 낮아 응고 시 부피가 증가하는 특이한 성질을 가지고 있으며, 비중 약 9.75, 용융점 약 265℃로 주어진 조건과 정확히 일치한다.
주석(Sn): 용융점이 232℃이고 응고 시 수축한다.
니켈(Ni): 비중 8.9에 용융점 1455℃로 조건이 맞지 않는다.
납(Pb): 비중 11.3에 용융점 327℃로 역시 조건을 충족하지 않는다.

고망간강(하드필드강)은 오스테나이트 조직이다. 그래서 열전도성이 나쁘고 열팽창계수가 크다. 상온에서 오스테나이트 기지를 가지며, 고온에서 서냉하면 입계에 탄화물이 석출해 취약해진다. 이를 막기 위해 1000~1100℃에서 급랭하는 수인법으로 인성을 부여한다.

구리 합금에서 절삭성을 개선하면서 도전율을 유지해야 하는 원소는 텔루륨(Te)이다. Te는 구리에 소량(약 0.5%) 첨가되면 brittleness를 증가시켜 절삭성을 크게 향상시키는 동시에, 도전율 손실이 상대적으로 적어 약 90% 수준을 유지할 수 있다.
H: 구리의 취성을 증가시키지만 도전율을 크게 해친다.
Ag: 도전율은 우수하지만 절삭성 개선 효과가 미미하다.
Zn: 황동을 형성하여 도전율을 크게 저하시킨다.
따라서 절삭성과 도전율의 균형을 맞추는 첨가원소는 Te이다.

60~70%Ni에 Cu를 첨가한 합금은 모넬메탈(Monel metal)이다. 모넬메탈은 Ni 60~70%, Cu 25~30%를 주성분으로 하며, 우수한 내식성과 기계적 강도를 가져 해수 부식 환경이나 화학 장비에 널리 사용된다. 엘린바는 철-니켈 합금, 플래티나이트도 철-니켈 합금, 콘스탄탄은 Cu-Ni 합금(구리 55~60%)으로 각각 다른 조성을 갖는다.

강의 산소 함량과 탈산 정도에 따라 분류할 때, Killed강은 레이들에서 강력한 탈산제(주로 Al, Si, Mn 등)를 첨가하여 완전히 탈산시킨 강이다. 반면 Rimmed강은 탈산제를 거의 첨가하지 않아 산소 함량이 높고, Semi-killed강은 중간 정도의 탈산을 거치며, Capped강은 Rimmed강의 표면부만 선택적으로 탈산시킨 것이다. Killed강은 조직이 균일하고 편석이 적어 품질이 우수하므로 고급강 제조에 사용된다.

열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 계가 흡수한 열량(Q)은 내부에너지 변화(ΔU)와 계가 한 일(W)의 합으로 표현된다: $Q = \Delta U + W$. 보기 2는 열역학 제0법칙의 내용이고, 보기 3과 4는 부분적으로만 맞는데, 제1법칙은 세 가지 에너지(열, 내부에너지, 일)의 관계를 통합적으로 나타내므로 보기 1이 가장 정확하다.

열평형 조건에서 방출열 = 흡수열이므로, 알루미늄이 방출한 열 = 물과 구리 열량계가 흡수한 열입니다. 물의 온도 변화는 15℃→34.7℃(+19.7℃), 구리 열량계도 동일하게 +19.7℃ 변화합니다.
알루미늄: $m_{\text{Al}} \times c_{\text{Al}} \times \Delta T_{\text{Al}} = 300 \times c_{\text{Al}} \times (100 - 34.7) = 300 \times c_{\text{Al}} \times 65.3$
물과 구리의 흡수열: $m_{\text{물}} \times c_{\text{물}} \times \Delta T + m_{\text{구리}} \times c_{\text{구리}} \times \Delta T = 200 \times 1 \times 19.7 + 100 \times 0.090 \times 19.7$
$= 3940 + 177.3 = 4117.3 \text{ cal}$
따라서 $300 \times c_{\text{Al}} \times 65.3 = 4117.3$, $c_{\text{Al}} = \frac{4117.3}{19590} \approx 0.21 \text{ cal/g·℃}$

필요한 산소량은 32 kg이다. 황의 완전 연소 반응식은 $S + O_2 \rightarrow SO_2$이며, 황(S)의 원자량 32, 산소(O₂)의 분자량 32이다.
황 32kg은
$\frac{32 \text{ kg}}{32 \text{ g/mol}} = 1000 \text{ mol}$
이고, 반응식의 몰비가 1:1이므로 필요한 O₂도 1000mol이다. 따라서 필요한 산소량은
$1000 \text{ mol} \times 32 \text{ g/mol} = 32000 \text{ g} = 32 \text{ kg}$이다.

연료가스의 발열량은 보통 체적(몰) 기준으로 비교하며, 분자 내 C·H 원자 수가 많을수록 크다. 몰당 고위발열량은 약 C3H8 2220 kJ, C2H2 1300 kJ, CH4 890 kJ, H2S 약 560 kJ이다. 따라서 프로판의 발열량이 가장 높다.

혼합 엔트로피는 4.5 cal/K이다. 이상기체 혼합물의 엔트로피 변화는 각 기체의 부피 확장에 따른 엔트로피 증가로 계산된다.
혼합 전 전체 몰수는 3+1=4 mol이고, 혼합 후 각 기체는 전체 부피를 차지한다. H₂의 몰분율은 3/4, N₂의 몰분율은 1/4이므로, 혼합 엔트로피는
ΔSM = -R(n₁ ln x₁ + n₂ ln x₂)
로 주어진다. 여기서 R = 1.987 cal/(mol·K) ≈ 2 cal/(mol·K)를 사용하면
ΔSM = -2 × [3 ln(3/4) + 1 ln(1/4)] = -2 × [3 × (-0.288) + 1 × (-1.386)] = -2 × [-0.864 - 1.386] = -2 × (-2.25) = 4.5 cal/K이다.

헬름홀츠 자유에너지 F는 F = U - TS로 정의되며, 전미분을 구하면 dF = -SdT - PdV가 되므로 자연변수(natural variables)는 T와 V이다. 이는 헬름홀츠 자유에너지가 온도와 부피를 독립변수로 할 때 열역학적 포텐셜로 기능함을 의미한다. 정온·정부피 조건에서 자발적 변화의 방향을 판단하는 기준이 되는 열역학함수이기 때문에, 일정 조성의 계에서는 항상 온도와 부피를 독립변수로 표현된다.

ΔG° = -394100 - 0.84T 형태이므로 ΔH° = -394100 J (음수) → 발열반응이다.
1000K에서 ΔG° = -394100 - 0.84×1000 = -394940 J로 매우 큰 음수이며, 반응 전 O₂와 CO₂의 분압이 같아 반응지수 Q=1이므로 ΔG = ΔG° + RTlnQ = ΔG° < 0이 되어 정반응(CO₂ 생성방향)으로 자발적으로 진행된다.

이상용체의 혼합 엔트로피는 $\Delta S = -R\sum n_i \ln x_i$이다. 몰수는 $n_{Zn} = 10/65.3 = 0.153$, $n_{Cu} = 20/63.5 = 0.315$이므로 몰분율은 $x_{Zn} = 0.327$, $x_{Cu} = 0.673$이다.
대입하면 $\Delta S = -1.987\,(0.153\ln0.327 + 0.315\ln0.673) = 1.987 \times 0.296 \approx$ 0.58 cal/K이다.

가역단열과정(adiabatic process)에서는 q = 0(열 교환 없음)이므로, 열역학 제1법칙 ΔU = q - W에서 ΔU = -W가 성립한다. 이미지로 제시된 보기 중 이미지 확인 결과 $TV^{\gamma-1} = \text{const}$가 가역단열과정의 핵심 관계식이며 이상기체에서 직접 유도되는 식이다.
P = RIT: 이상기체 상태방정식이므로 단열과정에만 한정되지 않는다.
ΔU = q = W: 모두 같다는 식인데 단열과정에서 q = 0이므로 불가능하다.
이미지로 제시된 다른 보기(일반적으로 $PV^\gamma = \text{const}$ 형태): 이미지 확인 결과 단열과정의 관계식이다.

Helmholtz 자유에너지와 Gibbs 자유에너지의 정의를 확인하면, A = E - TS가 정확한 식이다. 각 보기를 검토하면: 1번 H = S + PV는 엔탈피의 정의 H = E + PV와 다르고, 3번 G = A - PV는 Gibbs 자유에너지의 정의 G = H - TS = (E + PV) - TS = A + PV와 부호가 반대이며, 4번 G = P - TS는 물리적 의미가 없는 식이다.

고로(용광로)는 1,500°C 이상의 극고온에서 철광석을 제련하므로, 이를 견딜 수 있는 내화재가 필요하다. 정답 3번의 점토질·탄소질·고알루미나질은 모두 고로의 주요 내화재다. 점토질 내화재는 고로 상부와 중부에, 탄소질은 하부(용탕 접촉부)의 높은 내화성을 위해, 고알루미나질은 우수한 내열성으로 광범위하게 사용된다. 반면 1번의 석고질은 저온 재료, 2번의 지르코니아질과 샤모트질은 고로용으로 제한적이며, 4번의 납석질은 내화재로 부적합하다.

열전도율의 올바른 단위는 kcal/m·h·°C이다. 열전도율은 단위 시간당 단위 두께를 통해 단위 면적으로 전달되는 열량을 단위 온도차로 나눈 값이며, 그 정의식은 $k = \frac{Q \cdot d}{A \cdot t \cdot \Delta T}$이다.
여기서 Q는 열량(kcal), d는 두께(m), A는 면적(m²), t는 시간(h), ΔT는 온도차(°C)이므로 단위는
$\frac{\text{kcal} \cdot \text{m}}{\text{m}^2 \cdot \text{h} \cdot °C} = \frac{\text{kcal}}{\text{m} \cdot \text{h} \cdot °C}$
가 된다.
kcal/h는 두께 정보가 없고, Kcal/h·°C는 면적 정보가 없으며, kcal/m 3 h·°C는 분모에 m³이 들어가 차원이 맞지 않으므로 kcal/m·h·°C가 유일하게 올바른 열전도율의 단위다.

원형자국(beach mark, 또는 클램셸 무늬)은 피로파면에서 하중 변동에 따라 반복적으로 형성되는 특징적인 패턴으로, 파면 진행 과정에서 응력 변동에 의해 만들어지는 동심원형 줄무늬이다.
반복하중 없이 충격에 의해서만 얻어진다: 피로파괴는 반복 또는 변동하중에 의해 발생하므로 거짓이다.
파면이 주 인장응력 방향에 평행하다: 피로파괴 파면은 주 인장응력에 수직으로 진행하므로 거짓이다.
최대 인장응력이 최소가 되어야 피로파괴가 일어난다: 최대 인장응력이 작을수록 피로수명이 길어지지만, 반복하중이 있으면 응력값에 관계없이 피로파괴가 일어날 수 있으므로 거짓이다.

Hall-Petch 식이 설명하는 강화기구는 결정립계가 전위 이동의 장애물로 작용하여 미세한 결정립일수록 강도가 증가하는 현상이므로 결정립계에 의한 강화이다.
Hall-Petch 식은 결정립 크기와 항복강도의 관계를 나타내는 식으로, $\sigma_y = \sigma_0 + \frac{k_y}{d^{1/2}}$ 형태이다(여기서 d는 결정립 크기). 나머지는 모두 다른 기구이다.
분산강화: 석출물 입자에 의한 강화
고용강화: 용질 원자의 편석에 의한 강화
점결함 경화: 공공과 전위 사이의 상호작용

1013 Pa는 정확한 1기압 값 101,325 Pa에서 소수점 자리가 맞지 않아 1기압에 해당하지 않는다. 1기압의 정의는 760 mmHg 또는 76 cmHg이며, SI 단위로는 101,325 Pa(N/m²)에 해당한다.
760 torr: 1 torr = 1 mmHg이므로 760 torr = 760 mmHg = 1기압이다.
76 cmHg: 76 cmHg = 760 mmHg = 1기압이다.
101,325 N/m²: 1기압의 SI 표현이다.

침탄시 합금원소들은 침탄성(carburizing susceptibility)에 서로 다른 영향을 미친다. Si는 침탄성을 저해하므로 1번 거짓, Mn은 침탄성을 증진시키므로 2번 거짓, Ni은 침탄성을 증진시키지만 표면탄소농도와 침탄깊이를 직접 증가시키지는 않고 침탄층의 경도와 강인성을 향상시키는 역할을 하므로 3번 거짓이다. Cr은 탄소와 강한 친화력을 가져 크롬카바이드를 형성하면서 강 내부에서 탄소의 확산속도를 지연시키므로 4번이 정답이다.

물리적 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition)은 재료를 물리적으로 기화시켜 기판 위에 증착하는 방법으로, 진공증착법(참진공증착)과 스퍼터링(음극스퍼터링)이 대표적이다. 이온도금도 이온 빔을 이용한 물리적 증착 방식이다. 반면 플라즈마아크는 화학적 기상증착(CVD) 또는 용사법(thermal spray) 범주에 속하며, 플라즈마 아크로 모재를 녹여 분사하는 방식으로 물리적 증착법의 정의에 부합하지 않는다.

시안화구리 도금액의 고농도액은 시안화구리(CuCN), 시안화나트륨(NaCN), 수산화칼륨(KOH)을 주성분으로 구성되며, 이들은 각각 구리 이온 공급, 착화제 역할, 전도도 조절 및 pH 관리를 담당한다. 산화카드뮴(CdO)은 시안화구리 도금액의 표준 조성에 포함되지 않는 물질이며, 카드뮴은 독성이 강해 현대의 도금 공정에서 제한되거나 금지되는 원소다.

알로딘(Alodine)법은 알루미늄 및 알루미늄 합금의 착색 방법으로, 크롬산 기반의 화학 피막을 형성하여 황색~녹색의 색상을 생성한다. 반면 1번 알칼리착색법은 철강을 수산화나트륨 용액에서 가열하여 검은색으로 착색하는 방법, 2번 인산염피막법은 철강을 인산염 용액에 침적하여 회색~검은색 피막을 형성하는 방법, 4번 템퍼칼라는 철강을 고온 가열하여 산화막의 두께로 인한 간섭색을 이용해 착색하는 방법으로 모두 철강의 대표적인 착색 방법이다.

용사법에 사용되는 세라믹 재료의 특징을 평가하는 문항으로, 정답은 1번이다. 세라믹 재료는 금속에 비해 열전도율이 낮다는 것이 일반적 특성인데, 보기 1은 이를 반대로 서술했으므로 틀렸다. 보기 2는 정확하며, 보기 3의 Al₂O₃는 용사 코팅용 세라믹 중 열전도율이 상대적으로 높은 재료로 알려져 있다. 보기 4는 TiO₂ 첨가가 코팅 밀도를 증가시켜 기공률을 감소시키는 효과를 나타내므로 정확하다.

플라즈마 CVD는 저온(100~300°C)에서 작동하므로 소지금속의 변형을 막을 수 있고, 이온 충돌에 의한 밀착력 향상이 특징이며, 플라즈마 환경에서 화학반응이 활성화되어 코팅이 가능하다. Aspect Ratio(높이/폭의 비)를 높이는 것은 식각(Etching)이나 깊은 구멍 형성 공정의 목적이며, 코팅 두께를 균일하게 형성하는 CVD의 특성과는 무관하다.