[금속재료시험기능사 필기] 15년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

Al-Si계 주조용 합금의 공정점에서 생성되는 조대한 육각 판상 Si 조직(공정 실리콘)을 미세화하기 위해 첨가하는 변질제(modifier)는 알칼리 금속 또는 그 화합물이다. 반면 금속납은 이러한 변질 효과가 없으며, Al-Si 합금의 기계적 성질 개선과 무관한 원소로서 오히려 주조성 악화를 초래할 수 있어 변질제로 첨가되지 않는다.
금속나트륨, 수산화나트륨, 알칼리염류는 모두 공정 Si의 결정 성장을 억제하여 미세한 침상 조직으로 개량하는 데 사용된다.

시멘타이트는 철과 탄소의 금속간 화합물인 Fe₃C로, 보기의 조직 중 경도가 가장 높고 매우 취성이다. 페라이트는 연하고, 오스테나이트는 비교적 연성·인성이 있으며, 트루스타이트는 펄라이트보다 경도가 높지만 시멘타이트보다는 낮다.

금속의 산화 경향이 클수록 산과 반응하여 수소 기체를 쉽게 발생시키며, 수소보다 이온화 경향이 작은 금속은 산과의 반응으로 수소를 발생시키기 어렵다. Ca, Na, Al은 수소보다 이온화 경향이 크지만, Au는 수소보다 훨씬 작으므로 수소 가스가 발생하기 가장 어렵다.

황동은 구리(Cu)와 아연(Zn)을 주성분으로 하는 합금이므로 Cu+Zn이 옳다. Cu+Ni는 백동, Cu+Sn은 청동, Cu+Al은 알루미늄 청동의 조성이다.

게이지용강은 정밀한 치수를 유지해야 하므로 담금질 시 변형과 담금질 균열이 없어야 한다. 또한 열팽창계수는 작고, 충분한 경도와 내마모성을 가지며, 시간 경과에 따른 치수 변화도 작아야 하므로 1~3번은 옳지 않다.

초미립자는 1nm부터 100nm 범위의 입자를 의미한다. 콜로이드 입자의 크기 범위인 100nm는 초미립자의 상한값에 해당하므로 "같은 정도의 분체"라는 표현이 가장 타당하다.
체질법과 고상법으로 분류: 초미립자 제조 방법은 크게 기상법(CVD, 스프레이 건조 등)과 액상법(졸-겔, 침전법 등)으로 분류되므로 잘못된 분류다.
체질법으로 청정 초미립자 제조 가능: 체질법은 이미 만들어진 물질을 기계적으로 분쇄하는 방식으로 불순물 혼입 위험이 있어 거짓이다.
고상법으로 균일한 초미립자 대량 생산: 고상법은 반응성이 낮고 균일성이 떨어져 대량 생산에 부적합하므로 틀렸다.

스텔라이트는 주조 그대로 사용하는 비철합금으로, 열처리 없이도 충분한 경도를 갖는 것이 특징이다. 따라서 '열처리를 실시하여야만 충분한 경도를 갖는다'는 틀린 설명이다.
스텔라이트의 나머지 특성은 모두 정확하다.
주조한 상태 그대로 연삭하여 사용한다.
성분 조성(Co 40~55%, Cr 25~33%, W 10~20%, C 2~5%, Fe 5% 등)이 표준이다.
600℃ 이상의 고온에서 고속도강보다 경도가 우수하지만 취성이 커서 단조가 불가능하고 충격에 약한 특성을 가진다.

완전 탈산하여 응고 시 가스 발생이 억제되고, 용강 중앙 상부에 수축공과 불순물이 집중되는 강은 킬드강이다. 캡드강은 림드강의 상부를 덮어 가스 발생을 억제한 강이고, 림드강은 탈산이 불충분하여 기포가 발생하며, 세미킬드강은 부분 탈산한 강이다.

주어진 합금 조성 Cu 약 70%, Ni 10~20%, Zn 15~30%는 양백(Nickel Silver 또는 German Silver)의 표준 조성이다. 양백은 이 세 원소의 조합으로 은색 광택을 띠며 탄성이 우수해 탄성재료, 화학기계용 재료, 식기류, 악기 부품 등으로 널리 사용된다. 청동은 Cu-Sn 합금(Sn 함유), 엘린바는 Cu-Be 합금(Be 함유), 모넬메탈은 Ni-Cu 합금(Ni 50% 이상, Zn 미함유)으로 구성되어 있어 주어진 조성과 맞지 않는다.

베어링용 합금은 충분한 연성(가소성)을 가져야 하는데, 보기 2는 취성을 요구하고 있어 틀렸다. 취성은 충격에 약하고 깨지기 쉬운 성질로, 베어링처럼 반복 하중과 충격을 받는 부품에는 적합하지 않다. 또한 베어링용 합금의 소착성은 작아야 하는데(축과의 접촉면에서 달라붙지 않도록), 보기 2에서 소착성이 클 것이라고 명시한 점도 오류다. 보기 1, 3, 4는 모두 베어링용 합금의 올바른 구비조건이다.

투상도에서 물체의 높이는 수직 방향으로 나타나는 차원이다. 정면도(1)는 물체를 정면에서 본 것으로 높이와 너비를 표현하고, 우측면도(3)와 좌측면도(4)는 물체를 옆에서 본 것으로 높이와 깊이를 표현한다. 반면 평면도(2)는 물체를 위에서 내려다본 것으로 너비와 깊이만 표현되며 높이 정보는 포함되지 않는다. 따라서 평면도만으로는 물체의 높이를 알 수 없다.

반복 도형의 피치(pitch, 패턴 반복 간격)는 1점 쇄선을 기준선으로 삼아 측정한다. 1점 쇄선은 기하공차 표기에서 반복되는 요소들 사이의 규칙적 간격을 나타내는 기준선으로 사용되며, 이를 통해 동일한 피치로 배열된 구멍, 면, 모서리 등의 반복 패턴을 정의한다.

가공면의 줄무늬가 기호를 기입한 면의 중심을 기준으로 대략 동심원을 이루는 경우에는 C 기호를 사용한다. X는 교차 방향, M은 여러 방향, R은 방사 방향의 줄무늬를 나타낸다.

KS B는 기계 분야의 한국산업표준으로, 기계 기본·기계요소·공구 및 공작기계 등을 규정한다. KS A는 기본, KS C는 전기, KS D는 금속 분야에 해당한다.

금속현미경 조직검사는 시편채취→마운팅→연마→부식→건조→검사 순으로 진행한다. 시편을 마운팅하여 고정한 뒤 연마로 표면을 평탄하게 하고, 부식으로 조직을 드러낸 다음 건조하여 현미경으로 검사한다.

Mo(몰리브덴)은 담금질성을 향상시키고 뜨임 취성을 방지하는 효과가 있어 합금강에 첨가된다. Ni, Mn, Si도 담금질성 향상에 기여할 수 있지만, 뜨임 취성 방지의 대표적인 원소는 Mo이다.

탄성한계 내에서 전단응력과 전단변형률의 비인 G=τ/γ는 전단 변형에 대한 재료의 저항 정도를 나타내는 강성계수이다. 항복강도는 소성변형이 시작되는 응력, 탄성계수는 인장·압축에서의 응력과 변형률의 비, 포아송비는 가로변형률과 세로변형률의 비이다.

역편석은 중심부에서 황(유황)의 농도가 외주부보다 낮은 편석 형태이다. 문항에서 "외주부로부터 중심부로 향하여 감소"하고 "외주부보다 중심부 방향으로 착생도가 낮게"라는 조건이 바로 역편석의 특징을 설명하고 있다. 중심부편석은 중심부에 불순물이 집중되는 형태, 주상편석은 결정립이 응고면에 수직으로 성장하는 형태, 점상편석은 불순물이 점 형태로 국소적으로 편중되는 형태로, 모두 다른 편석 현상을 나타낸다.

방사선투과시험의 X-선 흡수와 가장 관계가 먼 것은 공진투과입니다. 공진투과(coherent scattering)는 산란 과정으로 입사 X-선의 에너지가 변하지 않고 방향만 바뀌는 탄성산란이므로, 에너지 손실을 초래하는 흡수 메카니즘과는 직접적 관계가 없습니다.
X-선이 물질을 투과할 때 에너지를 잃는 주요 메카니즘은 광전효과(낮은 에너지), 콤프튼산란(중간 에너지), 전자쌍생성(높은 에너지)이며, 이들은 모두 X-선 흡수와 감약에 직접 관여합니다.

펄스 반사법 초음파 탐상에서 사용되는 표준 기호는 다음과 같다: T(송신자극), B(바닥면 에코), F(흠집 에코), S(표면파)이다. 흠집이나 결함으로부터 반사되어 돌아오는 에코를 나타내는 기호는 F(Flaw)이므로 정답은 2번이다.

인장강도는 최대 하중을 원래 단면적으로 나눈 값이다. 평행부의 지름이 14mm이므로 단면적은 $A = \frac{\pi d^2}{4} = \frac{\pi \times 14^2}{4} = \frac{196\pi}{4} = 49\pi \approx 153.94 \text{ mm}^2$이다. 인장강도 = 최대 하중 ÷ 단면적 = $\frac{6590}{153.94} \approx 42.8 \text{ kgf/mm}^2$이므로 정답은 2번이다.

설퍼프린트 시험은 강재를 산으로 부식시켜 발생한 황화수소를 감광지에 반응시키는 방법으로, 강재 내부의 황화물 분포 상태를 조사하는 시험이다. 따라서 표면 결함이나 일반 비금속 개재물보다 황화물의 편석 및 분포를 확인하는 데 목적이 있다.

조직량 측정법에는 점 측정법(점산법), 직선 측정법(선분법), 면적 측정법이 있다. 각 방법은 점·선·면적 중 조직이 차지하는 비율로 조직량을 구한다. '원의 측정법'이라는 조직량 측정법은 없다.

두 개 이상의 물체가 접촉한 상태에서 상대운동할 때 접촉면이 마찰로 인해 점차 감소하는 현상은 마모이며, 이를 평가하는 시험이 마모시험이다. 압축시험은 압축 하중, 전단시험은 전단 하중, 피로시험은 반복 하중에 대한 특성을 시험한다.

고온에서 일정한 응력이 장시간 작용할 때 시간의 경과에 따라 변형률이 증가하는 현상을 크리프라고 하며, 이를 평가하는 시험이 크리프시험이다. 탄성비례시험은 응력과 변형의 비례 관계, 응력피로시험은 반복 응력에 의한 피로 파괴, 커핑시험은 판재의 성형성을 평가한다.

후크의 법칙에서 탄성한계 내 응력과 변형률의 비는 일정하며, 이 값을 영률이라고 한다. 탄성한도와 비례한도는 응력의 한계점이고, 푸아송의 비는 종·횡변형률의 비이므로 해당하지 않는다.

마멸시험은 시험 중 시험편이 회전하거나 상대 운동을 하면서 마찰·마멸이 발생하므로 시험편을 손으로 잡고 유지하기 가장 곤란하다. 인장시험, 충격시험, 피로시험은 각각 인장척, 충격시험 장치, 피로시험 지그 등에 시험편을 고정하여 시험한다.

자기탐상시험법은 강자성 금속(철, 강, 니켈 등)에만 적용되므로 모든 금속에 적용할 수 없다. 반면 표면 및 표면 직하 균열 검사에 우수하고(1번, 2번 정답), 자기입자가 결함부에 축적되어 표면에 시각적으로 나타나므로 육안 관찰이 가능하다(4번 정답). 따라서 3번이 틀린 설명이다.

구리판, 알루미늄판 등 연성 판재의 변형 능력을 평가하기 위해 가압 성형하여 시행하는 시험은 에릭센시험(Erichsen test)이다. 에릭센시험은 판재 위에 반구형 펀치를 수직으로 가압하여 판재가 파단될 때까지 얼마나 변형되는지를 측정하는 방법으로, 판재의 연성·가공성·연신 능력을 판단하는 데 사용된다.
마모시험: 표면 마모 저항성을 측정한다.
크리프시험: 고온에서의 시간 경과에 따른 변형을 측정한다.
전단시험: 전단 강도를 측정한다.
이들은 각각 다른 목적의 시험이다.

경화능 곡선을 구하여 강의 담금질성을 측정하는 시험은 조미니시험법이다. 할셀시험법은 도금액의 전류 효율·도금 상태, 시멘테이션법은 표면 탄소 침투, 설퍼프린트법은 강 중 황의 편석을 확인하는 시험이다.

비금속 개재물은 A계가 황화물, B계가 알루민산염(알루미나), C계가 규산염, D계가 구형 산화물로 분류된다. 이 가운데 가공방향으로 집단을 이루며 입상으로 불연속하게 줄지어 있는 알루민산염 개재물은 B계이다.

강철 볼을 시편에 압입한 뒤 압입 자국의 구면적에 대한 하중으로 경도를 나타내는 것은 브리넬 경도이다. 로크웰 경도는 압입 깊이, 쇼어 경도는 반발 높이, 키버스 경도는 해당 측정 방식의 경도 표시법이다.

충격값(Impact Value)은 충격 시험에서 재료가 흡수한 에너지를 노치부 단면적으로 나눈 값을 말한다. 이는 재료의 인성(toughness)을 평가하는 지표로, 단위는 kJ/m² 또는 J/cm²이다. 보기 2번 '충격흡수값'은 분모가 없는 전체 흡수 에너지를 의미하고, 3번 '충격에너지'는 분자인 에너지 자체, 4번 '단면수축률'은 인장 시험의 연성 지표이므로 정확하지 않다.

침투탐상시험(Penetrant Testing)은 표면 및 표면 근처의 미세한 결함만 검출하는 방법으로, 침투액이 표면 결함에만 스며들어 현상액으로 드러낸다. 방사선투과시험은 내부 결함을 검출하는 대표적 방법이고, 초음파탐상시험도 내부 결함 탐상에 사용되며, 누설탐상검사는 기밀성을 검사하는 것으로 표면 결함 전용은 아니다. 따라서 정답은 침투탐상시험이다.

비틀림 곡선(torque-twist diagram)에서 가로축이 비틀림각(θ)을 나타낼 때, 세로축은 토크(torque, T)를 나타낸다. 이는 축이나 원형 부재에 비틀림 하중을 가했을 때 비틀림각의 증가에 따른 토크의 변화를 나타내는 그래프로, 선형 탄성 범위에서는 비례 관계를 보이며 소성 변형 후 감소하는 전형적인 형태를 가진다. 응력-변형률 곡선과 달리 비틀림 곡선은 토크와 비틀림각의 관계를 직접 표현하므로 세로축은 토크이다.

용접부 내부결함을 찾는 데는 초음파탐상시험이 가장 적합하다. 초음파탐상시험은 음파가 재료 내부를 투과하면서 결함에서 반사되는 신호를 감지하여 내부의 크랙, 기공, 용융불량 등을 직접 탐지할 수 있다. 반면 설퍼프린트시험은 표면 조직 관찰용, 침투탐상시험은 표면 및 표면근처 결함 검출용, 누설비파괴시험은 기밀성 검사용이므로 내부결함 검출에는 부적합하다.

연성파괴에서 미소 공동(microvoid)들이 합체(coalescence)할 때 파단면에 형성되는 미시적 웅덩이 형태의 자국을 딤플(dimple)이라고 한다. 딤플은 주사전자현미경(SEM)으로 관찰할 수 있는 연성파면의 특징적 미시조직으로, 재료가 소성변형을 거쳐 파괴될 때 금속 내 비금속 개재물이나 결정립계 주변에서 공동이 핵생성되고 성장·합체되면서 남는 작은 움푹한 자국을 의미한다.

강구를 압입자로 사용하는 유일한 스케일은 B 스케일이다. B 스케일은 강구(직경 1/16인치의 강철 볼)를 압입자로 사용하고 초기 하중 10 kgf, 주 하중 90 kgf로 총 100 kgf의 하중을 적용하는 방식이다.
로크웰 경도시험은 압입자의 종류와 시험 하중에 따라 여러 스케일으로 구분되며, 각 스케일마다 사용하는 압입자가 다르다.
A 스케일: 원뿔형 다이아몬드 압입자(콘)를 사용한다.
C 스케일: 다이아몬드 콘을 사용한다.
D 스케일: 역시 다이아몬드 콘을 사용한다.

굽힘 시험편의 폭(나비) 규정에서 제품의 나비가 20mm 이하일 때는 시험편의 폭을 제품의 나비와 같게 하도록 정하고 있다.
원형·정사각형 등의 단면을 갖지 않는 시험편 사용: 오류로, 굽힘 시험편은 원형, 정사각형, 직사각형 등 단순한 단면을 가져야 하며 복잡한 단면은 제외된다.
제품 두께와의 차가 2배 이상: 관·띠·단면으로부터 채취한 시험편의 두께는 제품 두께와의 차가 2배 이상이 아니라 제품 두께 범위 내에서 선택되거나 규정된 두께를 따른다.
가공 영향을 받은 부분만 사용: 가공 영향을 받은 부분을 제거하고 건전한 부분만 사용해야 하므로 역이다.

피로시험에서 비틀림 응력과 반복횟수의 관계를 나타내는 곡선은 S-N 곡선이다. 여기서 S는 응력(Stress), N은 파괴 또는 수명에 이르는 반복횟수(Number of cycles)를 의미한다. M-S 곡선, CCT 곡선, S 곡선은 해당 관계를 나타내는 표준 피로곡선이 아니다.