[9급 국가직 기계일반] 17년 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

시편에 일정한 하중을 오랜 시간 가해 두고 시간에 따른 변형을 측정하는 시험은 크리프시험(creep test)이다.
크리프는 일정한 하중(응력) 아래에서 시간이 지남에 따라 변형이 서서히 증가하는 현상으로, 특히 고온에서 사용하는 재료의 수명과 허용응력을 정하는 데 쓰인다.
피로시험: 크기와 방향이 주기적으로 변하는 반복하중을 가해 파단까지의 반복 횟수를 구한다.
인장시험: 하중을 점차 증가시키며 늘려 응력-변형률 관계, 항복강도, 인장강도, 연신율 등을 구한다.
비틀림시험: 비틀림 모멘트를 가해 전단응력과 전단변형 관계, 전단강도 등을 구한다.

재료제거율은 94.2 $\mathrm{cm}^{3}$/min이다.
선삭의 재료제거율은 평균 절삭속도 × 절삭깊이 × 이송으로 구하며, 평균 절삭속도는 $V=\pi DN$이다.
$V=3.14\times 100\,\mathrm{mm}\times 1000\,\mathrm{rpm}=314000\,\mathrm{mm/min}$
$MRR=V\,d\,f=314000\times 1\times 0.3=94200\,\mathrm{mm^3/min}$
$1\,\mathrm{cm^3}=1000\,\mathrm{mm^3}$이므로 94200 $\mathrm{mm}^{3}$/min = 94.2 $\mathrm{cm}^{3}$/min이다.

이 나사의 피치는 10 mm이다.
1회전당 축방향 이동량인 리드는 $L=np$(n: 줄 수, p: 피치)이고, 1줄 나사이면 리드 = 피치이다.
2회전에 20 mm 이동하므로 리드는
$L=\dfrac{20\,\mathrm{mm}}{2}=10\,\mathrm{mm}$
$p=\dfrac{L}{n}=\dfrac{10}{1}=10\,\mathrm{mm}$

체인은 스프로킷과 맞물려 동력을 전달하므로 초기 장력을 줄 필요가 없고 정지 시에도 장력이 작용하지 않는다는 점에서, 초기 장력이 필요하다는 설명이 옳지 않다.
초기 장력이 필요한 것은 마찰로 동력을 전달하는 벨트 전동이며, 체인은 맞물림 전동이라 이완 측을 느슨하게 두어도 동력이 전달된다.
큰 동력 전달: 맞물림으로 미끄럼 없이 전달하므로 큰 동력을 전달할 수 있다.
일정한 속도비: 미끄럼이 적어 일정한 속도비를 얻을 수 있다.
롤러 체인과 사일런트 체인: 동력 전달용 체인의 대표적인 종류이다.

웜 기어에 대한 옳은 설명은 ㄴ, ㄷ, ㄹ이다.
웜 기어는 웜의 나선이 웜 휠을 밀어 동력을 전달하므로 웜에 축방향 하중(추력)이 생기고(ㄴ), 큰 감속비와 함께 부하용량이 크다(ㄷ). 진입각(리드각)이 커지면 나사면의 마찰 손실 비율이 줄어 효율이 증가한다(ㄹ).
ㄱ은 틀리다. 진입각을 작게 하면 웜 휠 쪽에서 웜을 돌릴 수 없는 자동 체결(self-locking)이 일어나므로 역전 방지를 할 수 있다.

베인 펌프와 피스톤 펌프는 용적형(positive displacement) 펌프이므로, 이들을 비용적형 유압펌프로 든 설명이 옳지 않다.
유압펌프는 일정 용적의 공간에 갇힌 유체를 밀어내는 용적형이 대부분이며 기어 펌프·베인 펌프·피스톤(플런저) 펌프가 여기에 속한다. 원심펌프처럼 회전차로 속도 에너지를 주는 것이 비용적형이다.
큰 출력: 작은 장치로도 높은 압력을 이용해 큰 힘과 출력을 낼 수 있다.
작동유 종류: 석유계 작동유와 합성유 등이 사용된다.
유압실린더: 작동유의 압력 에너지를 직선 왕복운동의 기계적 일로 바꾸는 액추에이터이다.

벤투리(venturi)는 단면을 좁혀 공기의 속도를 높이고 압력을 낮추는 통로이므로, 압력을 높이기 위해 설치한다는 설명이 옳지 않다.
기화기의 벤투리에서는 유속 증가에 따른 압력 저하(부압)로 연료를 빨아올려 공기와 섞는다. 단면이 좁아지면 연속방정식에 따라 유속이 빨라지고, 베르누이 정리에 따라 정압은 낮아진다.
압축비 비교: 디젤기관은 압축착화를 위해 가솔린기관보다 압축비가 높다.
가솔린기관의 노크 저감: 실린더 체적(지름)을 작게 하면 화염 전파 거리가 짧아져 미연소 혼합기의 자연발화가 줄어든다.
디젤기관의 노크 저감: 압축비를 높여 압축 말 온도를 올리면 착화 지연이 짧아져 노크가 줄어든다.

솔기결함(seam)은 압출이 아니라 주로 압연·인발 등에서 나타나는 결함이므로 압출 결함에 해당하지 않는다.
압출에서는 금속 유동의 불균일과 마찰, 온도 조건 때문에 파이프결함, 세브론균열, 표면균열이 대표적으로 발생한다.
파이프결함: 압출 말기에 빌릿 표면의 산화물·불순물이 중심부로 빨려 들어가 깔때기 모양의 결함이 생긴다.
세브론균열: 중심부에 인장응력이 작용해 화살촉 모양의 내부 균열(중심부 파열)이 생긴다.
표면균열: 압출 온도·속도·마찰이 과도하면 제품 표면에 균열이 생긴다.

청화법(cyaniding)은 시안화나트륨 등 시안화물 염욕을 이용해 탄소와 질소를 동시에 침투시키므로 침탄과 질화가 동시에 일어난다는 설명이 옳다.
청화법은 침탄질화의 일종으로, 염욕 속에서 C와 N이 함께 표면에 확산되어 경화층을 만든다.
아연(Zn) 침투: 아연을 확산 침투시키는 방법은 세라다이징(sherardizing)이고, 칼로라이징은 알루미늄(Al)을 침투시키는 방법이다.
고주파 경화법: 고주파 유도전류로 표면을 급속 가열한 뒤 급랭하는 표면 담금질로, 열처리 과정 자체이다.
숏 피닝: 강철입자를 고속 분사해 표면에 압축 잔류응력을 만들므로 피로수명을 증가시킨다.

소모성 전극을 사용하지 않는 용접법은 ㄴ, ㄷ, ㄹ이다.
플라즈마 아크 용접(ㄴ)과 원자 수소 용접(ㄷ)은 텅스텐 전극을 쓰는 비소모식 아크 용접이고, 플래시 용접(ㄹ)은 맞댄 모재에 전류를 흘려 불꽃(플래시)과 저항열로 가열한 뒤 압접하는 저항 용접이므로 녹아 들어가는 전극이 없다.
ㄱ의 일렉트로가스 용접은 보호가스 속에서 연속 공급되는 용접 와이어(소모성 전극)와 모재 사이에 아크를 일으켜 수직 자세로 용접하는 용극식 용접이다.

절삭유는 마찰을 줄여 절삭 저항을 낮추기 위해 쓰므로 절삭력 증가는 사용 목적에 해당하지 않는다.
절삭유의 주된 역할은 윤활·냉각·칩 제거이며, 이를 통해 공구 수명을 늘리고 가공면의 정밀도와 표면 품질을 높인다.
마찰 감소: 공구와 공작물·칩 사이를 윤활해 마찰과 마모를 줄인다.
칩 제거: 절삭부에 생긴 칩을 씻어 내 가공면 손상과 공구 막힘을 막는다.
냉각: 절삭열을 제거해 공구의 경도 저하와 공작물의 열변형을 막는다.

전해가공은 전기화학적 용해로 재료를 제거하는 비열적 가공이어서 열 손상이 발생하지 않으므로, 열 손상이 발생한다는 설명이 옳지 않다.
전해가공은 공구를 음극, 공작물을 양극으로 하여 전해액 속에서 양극 금속을 이온으로 녹여 내므로 공구와 공작물이 접촉하지 않고 열영향층·잔류응력이 거의 생기지 않는다. 또한 재료의 경도와 무관하게 전도성만 있으면 가공할 수 있다.
광화학블랭킹: 사진 공정으로 만든 마스크와 부식액으로 판재를 녹여 따내므로 버 없이 블랭킹할 수 있다.
화학적가공: 부식액(etchant)으로 공작물 표면을 화학적으로 용해해 소재를 제거한다.
전해가공의 적용: 경도가 높은 전도성 재료에도 적용할 수 있다.

상온에서 면심입방격자(FCC)인 금속은 ㄱ(Pt), ㄷ(Ag), ㅁ(Cu)이다.
FCC 금속은 슬립계가 많아 연성·전성이 좋으며, 대표적으로 Al, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Pb 등이 있다.
ㄴ(Cr): 상온에서 체심입방격자(BCC)이다.
ㄹ(Zn): 조밀육방격자(HCP)이다.

래핑(lapping)과 초음파가공(ultrasonic machining)은 모두 연마 입자를 이용하는 가공이다.
래핑은 랩과 공작물 사이에 랩제(연마 입자)를 넣어 문지르고, 초음파가공은 공구의 초음파 진동으로 연마 입자 슬러리를 공작물에 충돌시켜 재료를 제거한다.
허빙, 호닝: 호닝은 숫돌 입자를 쓰지만 허빙(hubbing)은 경화된 펀치를 소재에 눌러 넣어 형상을 만드는 소성가공이다.
슈퍼피니싱, 방전가공: 슈퍼피니싱은 숫돌 입자를 쓰지만 방전가공은 불꽃 방전으로 재료를 녹여 제거한다.
스피닝, 버핑: 버핑은 연마제를 묻힌 버프를 쓰지만 스피닝은 회전하는 판재를 롤러로 눌러 성형하는 소성가공이다.

공기 스프링은 주로 한 방향(축 방향)의 하중을 받도록 쓰이므로, 2축 또는 3축 방향으로 동시에 작용할 수 있다는 설명이 옳지 않다.
여러 방향의 하중을 동시에 받을 수 있는 것은 고무 스프링의 특징으로 꼽히며, 공기 스프링은 압축 공기의 탄성을 이용하는 대신 공기를 공급하는 장치가 필요하다.
감쇠특성: 감쇠특성이 커서 작은 진동을 흡수하는 데 유리하다.
비선형성: 공기의 압축 특성 때문에 하중과 변형의 관계가 비선형적이다.
스프링 상수 조절: 내부 공기압을 바꾸어 스프링 상수의 크기를 조절할 수 있다.

비커스 경도는 하중을 압입 자국의 깊이가 아니라 압입 자국의 표면적으로 나눈 값이므로, 깊이로 나눈다는 설명이 옳지 않다.
$HV=\dfrac{P}{A}$(P: 하중, A: 대각선 길이로 구한 압입 자국 표면적)이며, 압입 깊이를 이용해 경도를 정하는 것은 로크웰 경도이다.
압입자: 꼭지각 136°의 다이아몬드 사각추를 압입한다.
적용 대상: 압입 자국이 작아 질화강·침탄강처럼 얇은 경화층의 경도 측정에 적합하다.
측정 방법: 압입 자국의 대각선 길이를 현미경으로 측정한다.

송출량과 송출압력이 주기적으로 변화하는 현상은 수격현상이 아니라 서징(surging)이므로 이 설명이 옳지 않다.
수격현상(water hammering)은 밸브의 급개폐나 펌프의 급정지로 관 속 유속이 갑자기 변할 때 압력파가 생겨 큰 충격압이 발생하는 현상이다.
왕복펌프: 피스톤이 유체를 밀어내는 용적형이라 송출압력이 회전수에 좌우되지 않으므로 고양정에 적합하다.
원심펌프: 회전차가 케이싱 안에서 회전할 때 생기는 원심력으로 유체에 에너지를 준다.
축류 펌프: 유체가 축 방향으로 흐르며 유량이 크고 양정이 낮은 경우에 적합하다.

방전가공에 대한 옳지 않은 설명은 ㄷ, ㅁ이다.
방전 때 공작물뿐 아니라 공구 전극도 함께 녹아 전극 마멸이 반드시 생기므로 ㄷ은 틀리고, 가는 금속선을 전극으로 쓰는 와이어 방전가공(wire EDM)이 널리 쓰이므로 ㅁ도 틀리다. 경도와 관계없이 전도체를 가공할 수 있다는 앞부분은 맞다.
ㄱ: 공구와 공작물 사이의 스파크 방전 열로 금속을 녹이거나 증발시켜 제거한다.
ㄴ: 절연액은 방전을 제어하고 가공 부스러기를 씻어 내며 냉각제 역할도 한다.
ㄹ: 공구 전극 재료로 흑연, 황동, 구리 등이 사용된다.

발포 폴리스티렌 모형을 주형 안에 둔 채 용탕을 부어 모형을 증발시키는 주조법은 풀 몰드법(full molding)이다.
풀 몰드법은 소실모형주조(evaporative pattern casting)라고도 하며, 모형을 빼낼 필요가 없어 분할면과 코어 없이 복잡한 형상을 만들 수 있다.
셸 몰드법: 가열한 금속 모형에 수지 결합 모래를 덮어 얇은 셸 주형을 만든다.
인베스트먼트법: 왁스 모형을 내화물로 감싼 뒤 주입 전에 가열해 녹여 내므로, 용탕 주입 때 증발하는 방식이 아니다.
슬러시 주조: 금형에 용탕을 부어 표면만 응고시킨 뒤 남은 용탕을 쏟아내 속이 빈 주물을 만든다.

마그네슘의 열전도율은 구리(Cu)보다 낮다는 설명이 옳다.
구리는 은 다음으로 열전도율이 높은 금속이며, 마그네슘의 열전도율은 구리보다 훨씬 낮다.
산소와의 반응: 마그네슘은 산소와 잘 반응해 산화되며, 분말이나 얇은 조각은 공기 중에서 쉽게 연소한다.
비중: 마그네슘의 비중은 약 1.74로 실용 금속 중 가장 가볍지만, 1.85라는 값은 마그네슘의 비중이 아니다.
전위와 내식성: 마그네슘은 전기화학적으로 전위가 낮아 부식되기 쉬우며, 특히 바닷물에 약하다.