개념 한 쪽
기능성 재료는 특정 물리·화학적 성질을 높이거나 제어하기 위해 설계한 합금이나 복합재료를 말한다. 합금의 조성이나 제조 공정에 따라 열팽창, 탄성률, 절삭성, 내부 마찰 등 특정 성능이 나타나므로 성분과 용도를 일치시켜 기억해야 한다.
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출제기준 단원 「기능성 재료」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 선철 성분 열거 | 1 | 선철의 주요 불순물 5개 원소를 묻는 문제 |
| 합금 조성→특성 매칭 | 1 | Ni·Cr 조성 보고 온도에 따른 탄성률 특성 합금 식별하기 |
| 합금 첨가원소와 용도 | 1 | 황동에 Pb 첨가 시 절삭성 향상과 합금명 식별하기 |
기능성 합금은 구성 원소의 조합과 미세구조로 특정 물성을 발현하도록 설계한 재료이다. 예를 들어, 니켈과 크롬을 포함한 특정 조성은 온도 변화에 따른 탄성률 변화를 거의 없게 만들어 정밀 계기용 부품에 적합한 특성을 만든다. 이처럼 합금명과 핵심 성질을 연결하여 이해해야 한다.
제조 공정은 재료의 구조를 결정하는 중요한 인자이다. 기체 급랭법처럼 금속을 기체 상태로 만들고 급랭하면 원자 배열이 규칙성을 잃어 비정질 상태가 형성되므로, 제조법과 최종 재료 구분 문제에서는 공정명과 구조를 짝지어 기억한다.
금속 복합재료는 기지와 보강상(입자·섬유)의 형태로 분류한다. 금속 기지에 비금속 입자가 분산된 입자강화 복합재료는 서멧 등으로 불리며 내마모성이 필요한 부품에 사용된다. 반대로 휘스커나 섬유를 균일하게 분산하면 섬유강화 금속 복합재료가 되어 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다.
선철 등 제철제품에는 불가피하게 섞이는 주요 원소군이 있다. 선철의 대표적인 5대 원소는 탄소, 황, 망간, 인, 규소로 분류하며, 이 목록은 기초 조성 문제에서 기본으로 묻는다.
황동에 납을 첨가하면 절삭성이 향상되어 스크류나 시계용 기어처럼 정밀 절삭이 필요한 부품에 적합한 합금이 된다. 합금 명칭과 기능적 첨가원소의 연결은 실무적 용도 문제에서 중요한 암기 포인트가 된다.
합금명과 특성을 묻는 문제에서는 핵심 성분을 보고 합금명을 떠올린다. 예컨대 Ni 36%와 Cr 약 12%가 포함된 철 기반 합금은 온도 변화에 따른 탄성률 변화가 거의 없는 엘린바로, 정밀 시계나 지진계 부품에 쓰인다고 연결한다. 또한 황동에 Pb를 넣으면 절삭성이 좋아져 리드 브라스가 되고, 선철의 기본 5대 원소는 C, S, Mn, P, Si임을 확인한다.
오답 유의점은 개념 혼동이다. 제조 공정(예: 기체 급랭)과 합금의 기능(예: 제진, 형상기억)을 섞어 설명하면 오답이 되므로, 공정은 구조 형성 관점에서, 합금 이름은 성질 관점에서 각각 기억해야 한다.
일반적으로 선철에서 철 이외의 5대 원소는?
정답 ③ · 문제는 선철(주조로 얻은 철)에 흔히 포함되는 주요 5개 원소를 묻고 있다. 선철에는 탄소가 주성분으로 존재하고 공정상 불가피하게 황, 망간, 인, 규소가 함께 함유되는 것이 일반적이다.
선철의 5대 원소는 탄소, 황, 망간, 인, 규소이며, 이는 제철 공정에서 불가피하게 함유된다.
재료의 소성이 니켈 36%, 크롬 12%, 나머지는 철(Fe)로서 온도가 변해도 탄성률이 거의 변하지 않는 것은?
정답 ② · 문제에서 제시된 니켈 36%, 크롬 12%, 나머지 철(Fe)로 구성된 합금은 엘린 바(Elinvar)의 성분 조성입니다. 엘린 바는 온도 변화에 따라 탄성 계수(탄성률)가 거의 변하지 않는 특성(항탄성)을 지니고 있어 정밀 기계의 유럇턱, 시계 턱 등에 사용됩니다.
니켈 36%, 크롬 12%, 나머지가 철인 항탄성 합금은 엘린 바이며 온도 변화에 따른 탄성률 변화가 거의 없다.
황동에 납(Pb)을 첨가하여 절삭서을 좋게 한 황동으로 스크류, 시계용 기어 등의 정밀가공에 사용되는 합금은?
정답 ① · 문항은 납을 첨가해 절삭성을 개선한 황동의 명칭을 묻고 있다. 납이 첨가된 황동을 리드 브라스(lead brass)라 하며 납은 절삭 시 칩 분리를 용이하게 해 정밀가공에 유리하다.
황동에 납(Pb)을 첨가하여 절삭성을 향상시킨 합금을 리드 브라스(Lead Brass)라 한다.
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