개념 한 쪽
금속의 소성 변형과 가공은 냉간·열간 가공이 재료 성질에 미치는 영향을 다루며, 대표적으로 냉간가공으로 발생하는 가공경화, 장시간 하중에서의 크리프 현상, 결정격자 구조에 따른 전연성 차이, 금속 표면 강화법인 쇼트피닝과 같은 공정 원리를 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「금속의 소성 변형과 가공」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열팽창 소자의 작동 원리 | 1 | 바이메탈의 작동 원리를 열적 성질 관점에서 가리기 |
| 시간의존 변형 시험 | 1 | 장시간 작은 응력에서 발생하는 변형과 시험명을 연결하기 |
| 변태의 성질 판단 | 1 | 자성 변화와 결정격자 변형 여부로 변태 종류를 구분하기 |
냉간가공은 재결정 온도 이하에서 금속을 가공할 때 내부 결정립이 찌그러지고 전위(dislocation) 밀도가 증가하여 재료의 강도와 경도가 상승하는 현상을 유발한다. 이 현상을 가공경화라 부르며, 냉간가공은 재료를 단단하게 만들지만 연신율은 감소하는 경향을 동반한다. 반대로 가열하여 가공하면 연화 현상이 나타난다.
재료가 항복점보다 작은 응력을 오랜 시간 동안 받으면 동일한 하중이 장기간 작용함에 따라 변형이 서서히 진행되어 스트레인이 점차 증가하는 현상이 발생하며, 이를 크리프라 한다. 크리프를 평가하기 위해 일정 하중과 온도에서 시간이 지남에 따라 변형을 측정하는 크리프시험을 수행한다. 이 시험은 특히 고온 환경에서 재료의 수명을 예측하는 데 활용된다고 본다.
금속의 결정구조는 전연성 및 가공성에 큰 영향을 미친다. 면심입방격자(FCC)는 12개의 활동 계를 가져 전연성이 가장 우수하므로 가공성이 좋고, 조밀육방격자(HCP)는 활동 계가 적어 전연성이 낮다. 체심입방격자(BCC)는 중간 수준의 전연성을 보인다는 점을 핵심으로 이해한다.
특수 소자나 표면처리 원리도 관련된다. 예를 들어 바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따른 휨을 이용하는 소자이며, 쇼트피닝은 강구를 고속 분사하여 표면에 압축 잔류응력을 발생시켜 피로강도와 경도를 향상시키는 물리적 표면 경화법이다.
자기변태와 동소변태를 구분해야 한다. 자기변태는 특정 온도에서 금속의 자성이 변하는 현상으로 결정격자 자체는 변하지 않으며, 결정격자가 변화하는 경우는 동소변태로 구분한다.
냉간가공 관련 문제에서는 '냉간가공'과 '강도 상승(단단해짐)'을 연결하여 가공경화를 정답으로 고른다. 크리프 관련 문제에서는 '장시간+항복 이하의 응력+변형 증가'라는 키워드가 나오면 크리프시험을 떠올린다. 결정구조 문제에서는 전연성=면심입방(FCC)이라는 대응을 이용하여 답을 선택한다. 표면 경화 관련 문제에서는 입자 고속 분사라는 기술적 설명이 나오면 쇼트피닝을 선택한다. 자기변태 문제에서는 격자 변화 유무를 확인하여 자기적 성질만 변하는지를 따진다.
온도변화에 따라 휘거나 그 변형을 구속하는 힘을 발생하여 온도감응소자 등에 이용되는 바이메탈은 재료의 어떤 특성을 이용하여 만든 것인가?
정답 ① · 바이메탈(Bimetal)은 열팽창 계수가 서로 다른 두 금속판을 접합하여 만든 소자입니다. 온도가 변하면 두 금속의 팽창 정도가 달라져 휘는 현상이 발생하는데, 이 원리를 이용하여 온도 변화를 기계적 변위로 바꾸거나 전기 스위치를 작동시키는 온도감응소자(thermostat 등)로 널리 사용됩니다.
바이메탈은 열팽창계수가 서로 다른 두 금속을 접합하여 온도 변화에 따른 변형을 이용하는 소자이므로 열팽창계수가 정답이다.
재료를 내력보다 작은 응력을 장시간 작용하면 변형이 진행되는 현상을 시험하는 시험법은?
정답 ④ · 재료에 항복점(내력) 이하의 비교적 낮은 일정 하중을 장시간 계속 작용시켰을 때, 시간의 경과에 따라서 서서히 변형이 증가하는 현상을 크리프(Creep)라고 하며, 이를 시험하는 것을 크리프 시험이라고 합니다. 1번 압축시험은 압축 하중에 대한 저항, 2번 커핑시험은 관의 성형성, 3번 경도시험은 재료의 단단한 정도를 측정합니다.
항복점 이하의 응력을 장시간 가해 시간 의존적 변형을 측정하는 시험은 크리프시험이다.
자기변태에 관한 설명으로 틀린 것은?
정답 ② · 자기변태는 금속이 특정 온도(순철의 경우 A2 변태점, 약 768°C)에서 자성의 변화를 일으키는 현상을 의미합니다. 이는 결정격자 자체의 구조적 변화(동소변태)를 수반하지 않고 자기적 성질만 연속적이고 점진적으로 변하는 비가역적인 현상입니다.
자기변태는 결정격자 변화 없이 자성만 변하므로 격자 변화 설명은 틀렸다.
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