[초음파비파괴검사기능사 필기] 16년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

초음파탐상시험의 공진법은 시험체의 양면이 평행해야 음파가 두 평행면 사이에서 반사·간섭하면서 공진 현상을 일으킬 수 있다. 이를 통해 시험체의 두께 측정이나 결함 탐지 시 최대의 검출 감도를 얻을 수 있다. 다른 방법들—방사선투과(형광투시)는 평행성 무관, 자분탐상(선형자화)은 자화 방향만 중요, 침투탐상은 표면 상태가 주요 조건—은 평행면을 필수 조건으로 하지 않는다.

음향방출시험(AE)은 재료 내부에서 나오는 탄성파(음향)를 검출하는 방법이다. 반면 누설시험(LT)은 압력차에 따른 유체(기체·액체)의 누설을 검출하는 방법이므로, 두 시험은 서로 원리가 다르다. RT·CT는 방사선, MT·ET는 전자기, VT·PT는 광학 및 색채학의 원리를 이용한다.

적외선 써모그래피(infrared thermography)는 물체가 방출하는 적외선 복사에너지를 감지하여 온도 분포를 시각화한 영상으로, 이를 열화상(thermogram)이라 한다. 토모그래피는 단층 촬영 기법이고, 홀로그래피는 간섭·회절을 이용한 3차원 기록 기법이며, C-스코프는 초음파 탐상에서의 단면 표시 방식이므로 모두 적외선 써모그래피의 결과물이 아니다.

표준침투깊이(standard depth of penetration, δ)는 표면 와전류 밀도가 $1/e$(약 37%)로 감소하는 깊이로 정의된다.
와전류는 전도성 물체에 유도되는 전류로, 표면에서 내부로 침투할수록 지수함수적으로 감소한다. 와전류밀도는 $J(x) = J_0 e^{-x/\delta}$ 형태로 감소하므로, 표면으로부터 깊이 δ인 지점에서 와전류밀도는
$J(\delta) = J_0 e^{-1} = J_0/e \approx 0.368J_0$, 즉 표면 밀도의 약 37%가 된다.

누설검사법은 배관이나 용기의 누설 여부를 판정하는 방법으로, 가압법(양압 방식으로 압력을 가해 누설 확인), 감압법(내부 압력을 낮춰 누설 확인), 진공법(진공 상태에서 누설 확인) 등이 표준 검사법으로 인정된다. 수직법은 누설검사 표준 분류에 없는 용어로, 배관 설치 방향이나 수직·수평 배치를 의미하는 것으로 누설검사 방법이 아니다.

표면균열 검출에는 침투탐상검사(PT, Penetrant Testing)가 가장 적합하다.
침투탐상검사는 검사체 표면에 침투액을 도포하여 표면의 열린 결함(표면균열, 포로 등)에 침투액이 흡수되도록 한 후 현상액으로 결함 위치를 시각화하는 방법으로, 표면 결함 검출에 특화되어 있다.
초음파검사는 내부 결함 검출에 우수하다.
누설검사는 기밀성 검사에 사용된다.
음향방출검사는 결함의 동적 성장 감시에 사용된다.
이들은 정기 보수검사에서 표면균열 검출 목적과 맞지 않는다.

항공기 터빈블레이드의 균열검사는 블레이드 표면에 발생하는 미세한 균열을 감지해야 하므로 표면형 코일을 적용한다. 표면형 코일은 탐촉자가 피검사체 표면에 직접 접촉하여 표면 근처의 결함을 민감하게 탐지할 수 있으며, 터빈블레이드와 같이 복잡한 형상의 부품 표면 검사에 적합하다. 내삽형·관통형 코일은 튜브나 봉 같은 원통형 부품의 내부 결함 검사에, 회전형 코일은 특수한 형상의 부품 검사에 사용되므로 표면 균열 검사에는 부적합하다.

액체가 고체표면을 적시는 능력은 적심성(wettability)이다. 적심성은 액체가 고체 표면에 퍼지고 접촉각이 작아지는 정도를 나타내는 성질로, 표면장력과 계면장력의 상대적 크기에 의해 결정된다. 밀도는 물질의 단위 부피당 질량, 점성은 유동 저항, 표면장력은 액체 표면의 인장력으로 각각 다른 개념이다.

방사선투과검사의 선량률은 역제곱법칙(Inverse Square Law)을 따른다.
거리에 따른 선량률 변화는 $I_1 \times d_1^2 = I_2 \times d_2^2$로 계산된다.
주어진 조건에서 $80 \times 10^2 = I_2 \times 40^2$이므로
$80 \times 100 = I_2 \times 1600$
$I_2 = \frac{8000}{1600} = 5 \text{ mR/hr}$이다.
거리가 4배 증가하면 선량률은 16배 감소하므로, 80mR/hr을 16으로 나누면 5mR/hr이 된다.

자분탐상시험에서 결함 검출에 직접 영향을 미치는 인자는 시험면의 거칠기(거친 면은 자분 응착력 저하), 자화(결함 주변의 누설자계 크기), 자분의 적용(자분의 입도, 농도, 점착성)이다. 반면 검사 시기는 검사 일정에 관련된 행정적·관리적 요소일 뿐, 물리적으로 결함 검출 능력 자체에는 영향을 주지 않는다. 따라서 정답은 검사 시기이다.

카이저효과는 재료에 하중을 다시 가할 때 이전의 최대 하중을 넘기 전까지는 음향방출이 거의 생기지 않는 현상으로, 음향방출시험(AE)에서 다루는 현상이다. X선이 물질과 상호작용하는 방식에는 광전효과, 톰슨산란(간섭성 산란), 콤프톤산란, 전자쌍 생성이 있다.

깁스 자유도 법칙 $F = C - P + 2$를 적용한다. 여기서 F는 자유도, C는 성분수, P는 상의 수이다. 물과 얼음의 평형 상태에서 C = 1(물이 유일한 성분)이고 P = 2(액체 물과 고체 얼음)이므로, $F = 1 - 2 + 2 = 1$이다. 따라서 자유도는 1이며, 이는 온도 또는 압력 중 하나만 독립적으로 변할 수 있고 나머지 하나는 자동으로 결정된다는 의미다.

초정(primary crystal)은 공정반응(eutectic reaction) 이전에 먼저 석출하는 결정을 의미한다.
합금이 냉각될 때 액상에서 고상으로의 상변화가 일어나는데, 공정온도에 도달하기 전에 한 종류의 고용체가 먼저 형성되며, 이것이 초정이다. 공정온도에 도달하면 남은 액상이 동시에 2가지 이상의 고용체로 분해되는 공정반응이 일어나고, 이때 생성되는 결정들은 공정정(eutectic crystal)이라 구분된다.
따라서 초정은 공정반응 전에 정출한 결정이다.

정답은 '마찰계수가 클 것'이다.
베어링용 합금이 갖추어야 할 조건에는 '충분한 점성과 인성이 있을 것'·'내식성 및 내소착성이 좋을 것'·'하중에 견딜 수 있는 경도와 내압력을 가질 것'이 들어 있고, '마찰계수가 클 것'은 그에 들지 않는다. 베어링용 합금은 마찰계수가 작아야 한다.
'충분한 점성과 인성이 있을 것'은 베어링용 합금이 갖추어야 할 조건이다.
'내식성 및 내소착성이 좋을 것'은 베어링용 합금이 갖추어야 할 조건이다.
'하중에 견딜 수 있는 경도와 내압력을 가질 것'은 베어링용 합금이 갖추어야 할 조건이다.

주철에서 Si 첨가 시 Fe-C 상태도에 미치는 영향을 분석하면, Si는 오스테나이트(γ) 상에서 탄소의 용해도를 감소시키는 원소다. 이는 Si가 페라이트(α)를 안정화하고 오스테나이트 영역을 축소시키기 때문이다.
'공정 온도가 내려간다'는 오류로, Si 첨가는 공정 온도(약 1147°C)를 상승시킨다.
'공석 온도가 내려간다'도 오류로, Si 첨가는 공석 온도(약 727°C)를 상승시킨다.
'공정점은 고탄소측으로 이동한다'도 오류로, 공정점은 저탄소측으로 이동(약 4.3% → 3.9%)한다.

정답은 '알칼리에는 부식되나 산이나 염류에는 침식되지 않는다.'이다.
마그네슘(Mg)의 성질에는 '용융점은 약 650℃ 정도이다.'·'Cu, Al 보다 열전도율은 낮으나 절삭성은 좋다.'·'실용 금속 중 가장 가벼운 금속으로 비중이 약 1.74 정도이다.'가 들어 있고, '알칼리에는 부식되나 산이나 염류에는 침식되지 않는다.'는 그에 들지 않는다. 마그네슘은 알칼리에는 잘 견디고 산이나 염류에는 침식된다.
'용융점은 약 650℃ 정도이다.'는 마그네슘의 성질이다.
'Cu, Al 보다 열전도율은 낮으나 절삭성은 좋다.'는 마그네슘의 성질이다.
'실용 금속 중 가장 가벼운 금속으로 비중이 약 1.74 정도이다.'는 마그네슘의 성질이다.

면심입방(FCC, Face-Centered Cubic) 격자의 단위 격자당 원자수는 다음과 같이 계산된다. 꼭짓점(corner)에 위치한 원자는 8개이고 각각 8개 단위격자에 공유되므로 8 × 1/8 = 1개, 면의 중심(face center)에 위치한 원자는 6개이고 각각 2개 단위격자에 공유되므로 6 × 1/2 = 3개이다. 따라서 면심입방격자의 단위격자당 원자수는 1 + 3 = 4개이다.

순철의 결정구조 변화는 온도에 따라 결정되는 상변태(allotropic transformation)이다. 상온(약 25°C)에서는 BCC 구조(페라이트, α-Fe)이며, 가열하면 912°C에서 FCC 구조(오스테나이트, γ-Fe)로 변환되고, 1394°C 이상에서는 다시 BCC 구조(δ-Fe)로 복귀한다. 따라서 순철을 상온부터 지속적으로 가열할 때의 결정구조 변화 순서는 BCC → FCC → BCC이다.

냉간 가공 시 금속의 결정입자가 미세화되어 재료가 경화되는 현상은 가공경화(strain hardening, work hardening)이다. 냉간 가공 중 금속 결정 내 전위(dislocation)가 증가하고 이들이 서로 상호작용하면서 결정입자가 작아지고 조직이 조밀해져 강도와 경도가 증가한다. 전해경화는 전기화학적 처리, 고용경화는 합금원소 첨가, 탈탄경화는 표면 탄소 손실로 인한 경화로 모두 다른 메커니즘이다.

열팽창 계수가 매우 작아 길이 변화가 거의 없는 특성을 가진 Ni-Fe 합금은 인바(Invar)다. 인바는 약 36% Ni과 64% Fe로 구성되며, 상온 부근에서 열팽창 계수가 매우 낮아 측정용 표준자, 정밀 기계 부품, 바이메탈 등 치수 안정성이 중요한 용도에 널리 사용된다. 인코넬은 Ni-Cr 계 고온 합금이고, 두랄루민과 코스합금은 Al 또는 Cu 계 합금으로 Ni-Fe 합금이 아니다.

Y합금은 알루미늄 합금 중에서 Al-Cu-Ni-Mg를 주성분으로 하는 합금으로, 고온에서의 강도와 내열성이 우수하여 공랭식 실린더 헤드, 피스톤, 실린더 라이너 등 내연기관의 고온 부품에 널리 사용된다. 이 합금의 Ni과 Mg은 고온강도를 향상시키고, Cu는 경화 능력을 부여하여 우수한 내열성을 확보한다.

연질 자성 재료는 낮은 보자력을 가져 자화와 소자화가 쉽고, 히스테리시스 손실이 작아 변압기·모터 등 전자기 장치에 사용되는 재료다. 보기를 검토하면, 1번 알니코는 고보자력 영구자석이고, 2번 네오디뮴은 강한 자성의 희토류 영구자석이며, 4번 페라이트도 높은 보자력의 영구자석이다. 반면 3번 센더스트(sendust, Fe-Si-Al 합금)는 매우 낮은 보자력과 높은 투자율을 가진 연질 자성 재료로, 고주파 응용과 변압기 철심에 널리 사용된다.

Sn-Sb-Cu계 합금으로 주석계 화이트 메탈이라 부르는 것은 배빗메탈이다.
주석을 주성분으로 하고 안티모니·구리를 첨가해 경도와 내마모성을 높인 베어링용 합금이다.
인코넬은 니켈기 내열합금, 콘스탄탄은 Cu-Ni계 저항선 합금, 알클래드는 두랄루민 표면에 순수 Al을 입힌 클래드재로 각각 조성과 용도가 다르다.

라우탈(Lautal) 합금은 Al-Si 계 주조용 알루미늄 합금으로, 시효경화성을 가지며 규소 첨가로 주조성을 개선한 합금이다(1, 2번 정확). 구리를 소량 첨가하여 절삭성을 향상시키므로 4번도 정확하다. 3번이 틀린 이유는 라우탈 합금이 오히려 주조 균열이 적은 저감감성 합금이기 때문이다. Si 함량이 적절하게 조정되어 있어 응고 수축이 작고 균열 경향이 낮아서 사형주물뿐 아니라 다양한 주조 방법에 적합하다는 점에서 3번의 "주조 균열이 크다"는 설명이 합금의 본래 특성과 모순된다.

은(Ag)은 전기전도도와 열전도도 모두에서 금속 중 최고의 성능을 나타낸다.
전기전도도는 금속의 자유전자 농도와 이동도에 의존하는데, 은의 d-궤도 전자가 완전히 채워져 있어 s-궤도 전자가 자유롭게 움직일 수 있으며, 결정구조상 산란이 적어 최상의 전도성을 갖는다. 열전도도 역시 금속의 자유전자에 의해 주로 결정되므로(Wiedemann-Franz 법칙), 전기전도도가 우수한 금속은 열전도도도 우수하다.
금(Au)은 은보다 전도도가 낮다.
백금(Pt)은 은보다 전도도가 낮다.
납(Pb)은 상대적으로 훨씬 낮은 전도도를 가진다.

정답은 '수지상정'이다.
용융금속이 응고할 때 작은 결정핵이 생기고 그 핵을 중심으로 금속이 나뭇가지모양으로 발달하는 조직을 수지상정이라고 한다.
'입상정'은 결정이 알갱이 모양으로 발달하는 조직이다.
'주상정'은 결정이 기둥 모양으로 발달하는 조직이다.
'등축정'은 세 방향의 길이가 비슷하게 발달하는 결정이다.

연강용 피복 아크 용접봉의 분류에서 저수소계 용접봉은 피복제에 형석(플루오르화물)과 탄산염 등을 사용하여 용접 시 수소 발생을 억제하고, 용융금속의 냉각 속도를 낮춰 기계적 성질과 내균열성이 우수하다.
고산화티탄계는 산화티탄을 주성분으로 하여 용접성과 외관이 우수하지만 수소함유량이 적다는 특징은 없다.
라임티타니아계는 산화티탄과 석회를 혼합한 것으로 산화성이 강하다.
고셀롤로오스계는 셀롤로오스를 주성분으로 하여 깊은 용입력이 특징이지만 수소발생량이 많다.

정답은 '역화'이다.
팁 끝이 막히거나 과열되고 사용 가스의 압력이 부적당할 때 팁 속에서 폭발음이 나며 불꽃이 꺼졌다가 다시 나타나는 현상을 역화라고 한다.
'역류'는 가스가 거꾸로 흘러드는 현상이다.
'인화'는 불꽃이 토치의 혼합실까지 들어가는 현상이다.
'취화'는 금속이 메짐성을 갖는 성질 변화이다.