[금속재료기사 필기] 16년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

소결처리는 고체상태 확산에 의존하는 공정이므로, 분말입자가 완전히 용융되지 않는다. 대신 입자 간 결합면에서 원자 확산과 공공(void) 소멸이 일어나 강도가 증가한다. 소결 과정에서는 공공 감소에 따른 치수 수축(3번), 원자 이동으로 인한 내부응력 변화(2번), 그리고 확산과 온도 변화에 따른 상의 변화(4번)가 모두 발생하나, 분말입자의 완전 용융(1번)은 소결의 정의에 모순된다.

엔탈피 변화량은 20786 J이다. 밀폐된 용기에서의 가열 과정이므로 정적(정용량) 과정이고, 엔탈피 변화는 $\Delta H = n C_p \Delta T$로 구한다.
먼저 표준상태에서 헬륨의 몰수를 구하면, 이상기체 방정식 $PV = nRT$에서
$n = \frac{PV}{RT} = \frac{1 \times 101325 \times 0.224}{8.3144 \times 273.15} = \frac{22696.56}{2271.09} \approx 10 \text{ mol}$
이다(1기압 = 101325 Pa, 224ℓ = 0.224 m³).
온도 변화는 $\Delta T = 373.15 - 273.15 = 100 \text{ K}$이고,
$C_p = \frac{5}{2}R = \frac{5}{2} \times 8.3144 = 20.786 \text{ J/(mol·K)}$이다.
따라서 $\Delta H = 10 \times 20.786 \times 100 =$이다.

전 조성에서 활동도 계수가 1보다 크면(γ>1) 라울의 법칙에서 정(+)편차를 나타낸다. 이는 A-B 이종 원자 사이의 인력이 같은 성분끼리의 인력보다 약하다는 뜻이므로, 같은 성분끼리 모이려는(밀집) 경향을 보인다. 이런 용액은 혼합할 때 열을 흡수하므로($\Delta H_{mix}>0$) 열이 발생한다는 설명은 틀리고, 부편차라는 설명도 틀리다. 또 온도가 높아지면 활동도 계수는 대체로 커지지 않고 1에 가까워지는 경향이 있다.

등온 과정에서 이상기체의 깁스 자유에너지 변화는 $\Delta G = nRT\ln\left(\frac{P_f}{P_i}\right)$로 구하며, 결과는 -9144.5 J/mol이다.
주어진 값을 대입하면: $n=1\text{ mol}$, $R=8.314\text{ J/(mol·K)}$, $T=25+273=298\text{ K}$, $P_i=20\text{ mmHg}$, $P_f=0.50\text{ mmHg}$이다.
$\Delta G = 1 \times 8.314 \times 298 \times \ln\left(\frac{0.50}{20}\right) = 2477.6 \times \ln(0.025) = 2477.6 \times (-3.6889) = -9144.5\text{ J/mol}$이다.
압력이 감소하는 팽창 과정에서 압력비가 1보다 작으므로 ln값이 음수가 되어 ΔG는 음수가 되며, 이는 과정이 자발적임을 나타낸다.

용융염 전해법의 대표 생산 금속은 Al과 Mg이다. 용융염 전해법은 산화물이나 염화물을 녹인 용융염에서 전기분해를 통해 금속을 얻는 방법으로, 매우 반응성이 높아 수용액 전해로는 얻기 어려운 금속을 제조하는 데 사용된다.
Al은 Al₂O₃의 용융염 전해(Hall–Héroult 공정)로 대규모 생산되며, Mg은 MgCl₂의 용융염 전해로 제조된다. 반면 Cu는 수용액 전해(황산구리)로 쉽게 얻어지고, Zn과 Cd은 수용액 전해(황산염 용액)로 얻을 수 있어 용융염 전해가 필수적이지 않다.

준화학 모형에서 혼합엔탈피 $\Delta \bar{H}_1^M$의 부호는 분자 간 상호작용 세기를 반영한다. 혼합엔탈피가 음수이면 서로 다른 분자 간 인력이 같은 분자 간 인력보다 커서 라울 법칙보다 낮은 증기압, 즉 부편차가 나타나며, 반대로 양수이면 정편차가 나타난다. 따라서 $\Delta \bar{H}_1^M$이 음이면 부편차를 나타낸다는 설명이 옳다.

단열 가역과정에서는 $Q=0$이므로 $W=-\Delta U=-nC_v\Delta T$이고, 온도가 변하므로 일은 0이 아니다. 이상기체의 내부에너지와 엔탈피는 온도만의 함수이므로 등온과정에서는 가역·비가역에 관계없이 $\Delta U=0$, $\Delta H=0$이다. 단열 가역과정은 $dS=\delta Q_{rev}/T=0$인 등엔트로피 과정이므로 $\Delta S=0$이다.

ISP 법은 Pb와 Zn을 동시에 제련하는 공정으로, 소결 과정을 거쳐 원료를 준비하고(1번 정답), 용광로 내에서 환원반응으로 금속을 얻는다(2번 정답). 다만 4번이 틀린 이유는 ISP 법의 특징상 Zn 품위가 높을수록 경제성이 우수하기 때문이다. 이 공정은 Zn을 기화시켜 회수하는데 초점이 맞춰져 있으며, Pb 품위보다는 Zn의 수율과 회수 효율이 조업 경제성을 결정하는 핵심 요소이다.

보기 2번의 이미지를 확인하면 Gibbs 자유에너지의 정의식이 잘못된 형태로 표기되어 있다. 올바른 Gibbs 자유에너지는 G = E + PV - TS 또는 G = H - TS 형태이며, 보기 2에서 제시된 식은 이와 맞지 않는다.
Helmholtz 자유에너지와 Gibbs 자유에너지의 정의식을 확인해야 한다. Helmholtz 자유에너지는 A = E - TS이고, Gibbs 자유에너지는 G = E - TS + PV = H - TS이다.
보기 1, 3, 4의 다른 열역학 기본식들(예: dE = TdS - PdV 등)은 모두 열역학의 기본 관계식으로 타당하다.

은의 전해 정련법은 Moebius법이다. Moebius법은 불순물을 포함한 은을 양극으로, 순수한 은을 음극으로 하는 전해조에서 전해질로 질산은 용액을 사용하여 양극의 은을 용해시키고 음극에 순수한 은을 석출시키는 방법이다. Dow법은 마그네슘 정련, Mond법은 니켈 정련, Hybinette법은 구리 정련에 사용되는 방법들이다.

NiO와 Ni가 평형상으로 공존할 때 $\Delta G° = 0$이고, 이때의 온도에서 주어진 산소 분압을 만족하는 조건을 찾아야 한다. 먼저 평형 상수식으로부터: $\Delta G° = -RT\ln K_p$이고, 반응식 $2\text{NiO(s)} = 2\text{Ni(s)} + \text{O}_2\text{(g)}$에서 $K_p = P_{\text{O}_2}$이다. 주어진 $\Delta G° = 489100 - 197T$를 대입하면 $489100 - 197T = -RT\ln P_{\text{O}_2}$이다. 
$P_{\text{O}_2} = 10^{-20}\text{ atm}$을 대입하면, $\ln(10^{-20}) = -20\ln(10) = -20 \times 2.303 = -46.05$이므로 $489100 - 197T = -8.314T \times (-46.05)$이다. $489100 - 197T = 382.7T$를 정리하면 $489100 = 579.7T$이고, $T = \frac{489100}{579.7} \approx 843\text{ K}$이다.

'스트립의 두께가 두꺼울수록 평균 압연압력이 크다'는 옳지 않다. 두께 감소량(감축률)이 클수록 필요한 압연압력이 증가하는 것이 원리이므로, 초기 두께가 두꺼울수록 평균 압연압력이 커지는 것이 아니라 감축률의 크기에 따라 결정되기 때문이다.
평균 압연압력(mean rolling pressure)은 압연 시 롤과 소재 사이의 접촉 면적에서 발생하는 압력의 평균값으로, 그 크기는 여러 요인에 영향을 받는다.
'윤활상태가 좋을수록 평균 압연압력이 크다': 윤활상태가 좋을수록 마찰계수가 감소하여 필요한 압력이 증가하므로 참이다.
'소재의 폭이 크면 평균 압연압력도 크다': 소재의 폭이 크면 접촉 면적이 증가하여 평균 압연압력도 증가하므로 참이다.
'롤(roll)의 지름이 작으면 평균 압연압력도 작다': 롤의 지름이 작으면 접촉 호의 길이가 감소하여 평균 압연압력이 감소하므로 참이다.

탄성계수 E와 체적탄성계수 K의 관계식은 K = E / [3(1-2ν)]이다. 체적탄성계수는 정수압에 대한 체적 변형률의 역수로 정의되며, 선형탄성 이론에서 탄성계수와 프와송의 비로 표현할 때 이 식이 도출된다. 4번이 정답이다.

순수전단 상태($\tau=100\,\text{MPa}$, 나머지 응력 0)의 주응력은 $\sigma_{1,3}=\pm\tau=\pm100\,\text{MPa}$이다. 최대전단응력은 $\tau_{max}=\frac{\sigma_1-\sigma_3}{2}=\frac{100-(-100)}{2}=$100 MPa로, 가해진 전단응력과 같다.

변형률 속도감도 m은 응력이 변형률 속도 변화에 얼마나 민감한지를 나타내는 지수로, m이 크면 변형률 속도 증가에 따른 응력 증가가 적어서 국부수축에 저항할 수 있고, m이 작으면 국부수축이 쉽게 진행된다. 초소성금속은 m값이 0.5 이상으로 매우 크고, 이는 미세한 결정립 구조에서 고온과 낮은 변형속도 조건에서 나타나는 현상이다. 보기 1, 2, 4는 모두 초소성의 특성을 올바르게 설명하지만, 보기 3은 인과관계가 역순이다. m이 작을수록 국부수축에 대한 저항이 작아지고, m이 크면 저항이 커진다.

항복은 재료가 탄성변형에서 소성변형으로 전환되는 현상으로, 편차 응력(deviatoric stress)과 관계가 있다. 편차 응력은 전체 응력에서 정수압(hydrostatic pressure)을 뺀 성분으로, 전단변형을 유발하는 응력이다.
금속의 항복은 정수압(등방향 응력)에는 거의 영향을 받지 않으며, 편차 응력의 크기에 의해 결정된다. 이는 von Mises 항복 조건이나 Tresca 항복 조건 등 주요 항복 이론들이 모두 편차 응력 성분을 기반으로 정의되기 때문이다.

압출비는 원료의 단면적을 최종제품의 단면적으로 나눈 값이다. 빌렛트 직경 200mm, 압출 후 직경 120mm이므로 압출비 = (원료 단면적)/(최종 단면적) = $\frac{\pi(100)^2}{\pi(60)^2} = \frac{10000}{3600} = 2.78$이다.

전단 하중은 $F = \tau \times A$ 공식으로 구하며, 여기서 $\tau$는 전단저항, $A$는 전단 절단면적이다. 전단 절단면적은 절단구 둘레 길이 × 두께이므로 $A = 200 \times 2 = 400 \text{ mm}^2$이다. 따라서 전단 하중은 $F = 45 \times 400 = 18,000 \text{ kg}$이고, 이를 ton 단위로 환산하면 $18,000 \text{ kg} \div 1,000 = 18 \text{ ton}$이다.

'스퍼터링으로 제조된 박막의 도금속도가 가장 빠르다'는 틀렸다. 박막 제조 기술의 특성을 비교하면, 스퍼터링의 도금속도는 진공증착이나 이온도금보다 훨씬 느리다. 스퍼터링은 타겟 원자가 운동에너지를 받아 하나씩 방출되는 방식이므로 증착 속도가 매우 낮다.
진공증착과 이온도금의 도금속도: 진공증착은 열에너지로 원자를 증발시키고, 이온도금은 가속된 이온 빔으로 고속 증착이 가능해 두 방법이 상대적으로 빠르다.
이온도금의 부착강도: 이온도금은 고에너지 입사 이온으로 기판에 강력한 충격을 주어 부착강도가 가장 우수하고, 기판 온도 상승도 크다.
진공증착의 기판 온도: 진공증착은 열원이 멀고 증발 방식이라 기판 온도 상승이 가장 작다.

공구강을 퀜칭할 때 발생하는 균열과 변형을 방지하기 위해 퀜칭 전에 실시하는 열처리는 구상화풀림(spheroidizing annealing)이다. 구상화풀림은 강재 내 탄화물을 구상 형태로 변화시켜 연성과 가공성을 향상시키고, 내부 응력을 완화하여 퀜칭 시 발생하는 균열과 변형을 감소시킨다.
응력제거풀림은 가공 후 응력 제거 목적이다.
항온풀림은 미세조직 제어 목적이다.
연화풀림은 일반적인 용어로 구체적 목적이 명확하지 않다.
따라서 공구강의 퀜칭 전처리로서는 구상화풀림이 가장 적절하다.

버프연마법은 버프(천) 바퀴를 이용한 연마로서 표면을 정밀하게 연마하기 위한 마무리 가공이나 연마 공정으로, 금속용사의 전처리 목적과 부합하지 않는다. 금속용사 전처리는 코팅면의 부착력을 높이기 위해 표면을 정제하는 공정이다.
샌드블라스트법, 쇼트블라스트법은 모두 분사재를 이용해 표면의 산화물과 불순물을 제거하는 표준 전처리 방법이다.
용착법은 모재 표면에 금속을 융착시켜 코팅층의 부착성을 개선하는 전처리 기법이다.

샤르피충격치와 연신율을 최대화하려면 충분히 높은 온도에서 오스테나이트를 완전히 형성한 후 급냉하여 오스테나이트 상태를 고정해야 한다. 오스테나이트화 온도 1100°C에서 수냉하면 완전한 오스테나이트 결정립을 형성하고 급냉으로 고정시켜 최적의 인성, 연신율, 샤르피충격치를 얻을 수 있다.
해드필드강은 고망간강(약 12~14% Mn 함유)으로, 오스테나이트 상태에서 뛰어난 인성과 연신율을 가지며 냉간가공으로 경화되는 특성을 가진다.
780°C에서 수냉·서냉: 780°C는 고탄소강용 온도로 해드필드강의 오스테나이트화에 불충분하며, 서냉은 냉각 중 페라이트와 탄화물 석출을 초래해 취성을 증가시킨다.
300°C 수인처리 후 750°C 풀림: 수인처리와 풀림은 강도와 경도를 목표로 하는 열처리로 연신율과 충격치를 저하시킨다.

응력제거 풀림(stress relief annealing)은 용접 후 잔류응력을 제거하여 제품의 치수 안정성을 보장하고, 노치인성과 강도를 향상시키며, 응력부식균열에 대한 저항력을 증가시키는 열처리 공정이다. 1, 2, 4번은 모두 응력제거 풀림의 기대 효과이며, 3번 '응력부식에 대한 저항력 감소'는 응력제거 풀림의 목적과 정반대로 잔류응력이 제거되므로 응력부식 저항력이 증가하게 되어, 응력제거 풀림에 의해 기대되는 효과가 아니다.