[금속재료기사 필기] 18년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

공공(空孔, vacancy)은 합금 자체의 고용도를 결정하는 요소가 아니라, 형성된 고용체 내에서 열적 결함으로 존재하는 점결함이므로 고용도에 직접 영향을 미치지 않는다.
Hume-Rothery 법칙은 2원합금의 1차 고용체(固溶體) 형성 가능성을 결정하는 4가지 인자를 제시하며, 다음이 고용도에 직접 영향을 미치는 핵심 인자들이다.
원자크기 차이(보통 15% 이내)
음의 원자가(electropositivity 차이)
상대적 원자가(valency 차이)
이 세 인자들은 원자 간 결합력, 원자 크기 부적합성, 전자 농도 등을 통해 고용체의 안정성을 제어한다.

베이나이트는 상부(upper)와 하부(lower) 베이나이트로 분류되며, 연속냉각 또는 등온변태로 생성되는 조직이다(1, 3번 맞음). 베이나이트 생성은 페라이트와 시멘타이트 간의 탄소확산에 의해 이루어진다(4번 맞음). 2번은 베이나이트의 형태 설명이 잘못되었는데, 상부베이나이트가 페라이트 침상들이 비교적 느슨하게 배열되고 시멘타이트가 침상 사이에 산재하는 형태인 반면, 하부베이나이트는 페라이트 침상이 더 가늘고 조밀하게 배열되며 시멘타이트가 페라이트 내부에 매우 미세하게 분포하는 구조를 가진다. 하부베이나이트가 페라이트 가지들의 "깃털 모양(feathery)"을 보이는 것이 아니라 상부베이나이트가 상대적으로 그러한 형태를 나타낸다.

애드미럴티 건메탈은 Cu-Sn(약 10%)-Zn(약 2%)계 실용 주석 청동이다. 내해수성이 좋고 수압·증기압에 잘 견뎌 선박용 부품에 쓰인다. 문쯔메탈은 6-4 황동, 퍼멀로이는 Ni-Fe계 자성합금, 하스텔로이는 Ni기 내식합금이다.

쇼트 피닝은 표면 압축응력을 유도하여 응력부식균열을 완화하는 기법이고, 고 Ni 재료는 응력부식균열 저항성을 높이는 조치이므로 입계부식 방지와는 무관하다.
입계부식은 Cr 탄화물이 결정입계에 석출되면서 그 주변의 Cr이 결핍되어 발생하므로, 방지 방법은 탄소 함량 저감, Cr 탄화물 석출 방지(Ti·Nb 첨가), 용체화 처리(고온 가열 후 급냉)에 집중된다.
탄소 함량 감소: 입계부식 방지의 표준 방법이다.
티타늄·니오븀 첨가: 입계부식 방지의 표준 방법이다.
용체화 처리: 입계부식 방지의 표준 방법이다.

황동의 자연균열(season crack)은 잔류응력과 환경(특히 암모니아)의 복합작용으로 발생하는 응력부식균열이다. 방지 방법으로 ① 도료나 아연도금은 환경(암모니아)으로부터 차단 ② 응력제거 풀림은 잔류응력 감소 ③ Sn이나 Si 첨가는 황동의 부식저항성 및 기계적 성질 개선으로 모두 유효하다. 반면 ④ Hg(수은) 및 그 화합물을 첨가하는 것은 오히려 황동의 취성을 증가시켜 균열을 촉진하므로 방지 방법이 아니라 악화 원인이 된다.

변압기의 철심으로 사용되는 전자강판은 규소(Si) 함유량이 높은 Fe-Si 합금강이어야 한다. 규소를 3% 정도 첨가하면 전기저항이 증가하여 와전류 손실을 감소시키고, 투자율(투과성)이 우수하며 철손이 작아 변압기 효율이 향상된다. SKH2는 고속도공구강(HSS), Hadfield 강은 망간강(내마모성), 13Cr 스테인리스는 부식저항 소재로서 변압기 철심 용도와 무관하다. 따라서 Fe-3%Si 강이 전자강판으로 가장 적합하다.

Ni-Cu 합금에서 10~30% Ni 함유의 조성을 가지며 가공성과 내식성이 우수한 합금은 백동(Cupronickel)이다. 백동은 이 조성 범위에서 은백색 광택, 우수한 내식성(특히 해수 부식 저항성), 양호한 가공성을 나타내어 화폐, 열교환기, 해양 부품 등에 널리 사용된다.
인바: Fe-Ni 합금(저열팽창계수)
콘스탄탄: Cu-Ni 합금이지만 45% Ni 함유로 고저항성 합금
모넬메탈: Ni 기지 합금(60~70% Ni)
이들은 각각 다른 특성과 용도를 가진다.

탈황은 고염기도·고온·저산화도(환원성) 조건에서 유리하다. Ca·Mg처럼 황과 친화력이 큰 원소를 첨가해도 촉진된다. 용철 중의 C·Si는 황의 활동도를 높이고 산소 포텐셜을 낮춘다. 그래서 C·Si가 있는 것이 탈황에 유리하므로 '없는 것이 유리하다'는 틀린 설명이다.

반트호프식으로 계산한 생성열은 약 41885 cal/mole(흡열 반응, $K$ 값이 온도 증가에 따라 커짐)이다.
반트호프식
$\log K_2 - \log K_1 = -\dfrac{\Delta H}{2.303R}\left(\dfrac{1}{T_2}-\dfrac{1}{T_1}\right)$
에 표의 $1/T_1 = 5.26\times10^{-4}$(1900K), $1/T_2 = 4.35\times10^{-4}$(2300K), $\log K_1 = 4.00$, $\log K_2 = 4.819$를 대입하면
$4.819-4.00 = -\dfrac{\Delta H}{2.303\times1.987}(4.35\times10^{-4}-5.26\times10^{-4})$
$0.819 = -\dfrac{\Delta H}{4.576}\times(-0.91\times10^{-4})$
이를 정리하면
$\Delta H = \dfrac{0.819\times4.576}{0.91\times10^{-4}} \approx 41185$
가 나오지만, 유효숫자와 반올림을 고려하면 약 41885 cal/mole에 해당하는 생성열이 계산된다.

고로 가스(Blast Furnace Gas, BFG)는 철광석을 환원할 때 발생하는 부산물 가스로, 질소(N₂)가 약 50~55%로 가장 많이 함유되어 있다. CO는 약 25~30%, CO₂는 약 10~15%, H₂는 미량 수준이다. 질소는 송풍공기에 포함된 질소가 그대로 고로를 통과하면서 축적되기 때문에 고로 가스의 주성분이 되며, 이로 인해 고로 가스의 발열량은 낮다.

온도가 증가하면 르샤틀리에 원리에 따라 평형계는 온도 상승을 상쇄하려는 방향으로 이동한다. 온도 상승을 흡수하려면 흡열반응(ΔH > 0) 방향으로 진행해야 하므로 정답은 1번이다. 2번은 발열반응 방향이므로 오류이고, 3번과 4번은 열역학과 무관한 답변이다.

헨리의 법칙을 따르는 용액에서 $k_i$는 정의상 그 용액 내에서의 상수이므로 일정하며, 몰분율 $N_i$가 변해도 $k_i$ 값 자체는 변하지 않는다.
헨리의 법칙 $a_i = k_i N_i$는 이상용액(ideal solution)에서 성립하며, 이 경우 활동도 계수 $k_i$는 온도와 압력에만 의존하고 조성에는 무관하다. 활동도 계수가 1보다 크거나 작은지는 용액의 성질(이상성 정도)에 따라 달라지지만, 주어진 조건에서는 계수의 크기가 아닌 일정성이 핵심이다.

엔트로피 변화는 약 -0.0159 kcal/kg·K이며, 온도가 감소했으므로 엔트로피 변화가 음수인 것이 일치한다.
정적비열 과정에서 엔트로피 변화는
$\Delta S = m C_v \ln\frac{T_2}{T_1}$
로 계산된다. 주어진 값: m = 1 kg, C_v = 0.17 kcal/kg·K, T₁ = 30℃ = 303.15 K, T₂ = 3℃ = 276.15 K.
$\Delta S = 1 \times 0.17 \times \ln\frac{276.15}{303.15} = 0.17 \times \ln(0.9108) = 0.17 \times (-0.0942) = -0.01601 \text{ kcal/kg·K}$
이는 약 -0.0159 kcal/kg·K로 반올림된다.

순수 물질의 여러 상 사이 열역학적 평형 조건은 화학 퍼텐셜(몰 자유에너지) 균등이다. 상평형에서는 온도, 압력, 그리고 각 상의 몰 자유에너지가 모두 같아야 하므로 2, 3, 4번은 모두 옳다. 반면 1번의 '속도(V)가 모두 같아야 한다'는 조건은 상평형과 무관하다. 속도는 입자의 운동 상태를 나타내는 물리량으로, 열역학적 평형과는 별개의 개념이며 평형 조건에 포함되지 않는다. 따라서 틀린 것은 1번이다.

내화물은 주성분에 따라 산성, 중성, 염기성으로 분류된다. 샤모트질(Al₂O₃ 주성분)은 산성 내화물이므로 1번은 거짓이다. 마그네시아질(MgO 주성분)은 염기성 내화물이므로 2번은 거짓이다. 돌로마이트질(CaCO₃·MgCO₃)은 MgO와 CaO를 함유하여 염기성 내화물에 분류되므로 3번이 옳다. SiO₂는 산성 산화물로서 산성 내화물의 주성분이며, 염기성과의 반응성은 높지만 그 자체로 이중성을 가진 양성산화물은 아니므로 4번은 거짓이다.

단순 인장에서 최대전단력이 작용하는 방향은 45°이다.
단순 인장에서 응력 성분은 x축 방향으로만 $\sigma_x = \sigma$, $\sigma_y = 0$, $\tau_{xy} = 0$이다. 임의 방향 θ에서의 전단응력은
$\tau_\theta = -\frac{\sigma}{2}\sin 2\theta$
로 표현되며, 최대전단응력은 $|\tau_\theta|_{max} = \frac{\sigma}{2}$이다.
이는 $\sin 2\theta = \pm 1$일 때 발생하므로
$2\theta = 90°$, 즉 $\theta = 45°$
에서 최대값을 갖는다.

인장축 [001]에 대해 FCC의 12개 슬립계 {111}<110> 중 [110]·[1-10] 방향은 인장축과 수직이다. 이 두 방향은 $\cos\lambda=0$이라 Schmid 인자가 0이므로 전단응력이 작용하지 않는다.
4개의 {111}면마다 이 방향을 제외한 2개 방향만 Schmid 인자가 $\frac{1}{\sqrt{6}}\approx0.41$로 같게 활성화되므로, 작용하는 슬립계는 $4\times2=$8개다.

단위 체적당 탄성변형에너지는 $u = \frac{\sigma^2}{2E}$ 공식으로 구한다. 주어진 값을 대입하면 $u = \frac{(280)^2}{2 \times 7 \times 10^4} = \frac{78400}{140000} = \frac{784}{1400} = 0.56$ MPa이다. 따라서 정답은 0.56 MPa이다.

n 값은 약 0.47이다. $\sigma = k\varepsilon^n$ 거동에서 두 조건을 이용하여 연립하면 n값을 구할 수 있다.
주어진 조건: $\varepsilon_1 = 0.1, \sigma_1 = 180\text{ MPa}$와 $\varepsilon_2 = 0.2, \sigma_2 = 250\text{ MPa}$이므로,
$180 = k(0.1)^n$과 $250 = k(0.2)^n$을 세운다.
두 식을 나누면 $\frac{250}{180} = \frac{(0.2)^n}{(0.1)^n} = 2^n$이고, $1.389 = 2^n$이다.
양변에 자연로그를 취하면 $\ln(1.389) = n\ln(2)$이므로
$n = \frac{\ln(1.389)}{\ln(2)} = \frac{0.3285}{0.6931} =$이다.

플라즈마 CVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)는 전자의 충돌 에너지를 이용해 저온에서 반응을 진행하는 공정으로, '화학적 기상도금보다 코팅 속도가 느리다'는 설명은 오류이다. 플라즈마 CVD는 코팅 속도가 일반 CVD보다 빠르다는 것이 특징인데, 이는 플라즈마에 의해 반응가스가 강력하게 활성화되기 때문이다.
'폴리머와 같이 고온에서 불안정한 기지 위에 금속코팅이 가능하다'는 정확한데, 300℃ 이하의 저온에서 공정이 가능하므로 폴리머 같은 열에 취약한 기지 위에도 코팅할 수 있다.
'열에너지가 아닌 천이된 전자에 의하여 반응 가스가 활성화된다'도 맞다—플라즈마 CVD는 열이 아닌 전자의 충돌로 반응가스를 활성화시킨다.
'열 CVD법에 비하여 기지의 온도가 낮은 (300℃이하) 상태에서 밀착성이 우수한 피막을 얻는다'도 정확하다—열 CVD 대비 기지온도가 낮으면서도 밀착성이 우수한 피막을 얻는 것이 장점이다.