개념 한 쪽
탄소강은 철에 탄소가 소량 포함된 합금으로, 탄소 함량에 따라 기계적 성질이 달라진다. 탄소가 많아질수록 강도와 경도는 증가하고 연신율과 인성은 감소한다. 합금원소와 불순물은 내열성·내식성·취성 등에 영향을 주므로 각 원소의 역할을 구분하여 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「탄소강」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 상온가공 온도 정의 확인 | 1 | 상온가공의 온도 정의 오류를 판별하는 능력 |
| 탄소 함량과 물성 변화 판단 | 1 | 탄소 증가에 따른 경도·연신율·충격치 변화 관계를 묻는 능력 |
| 합금원소 기능 구분 | 1 | 특정 합금원소가 내열성 또는 산화방지에 기여하는지 가리는 능력 |
탄소강의 탄소 함유량은 대략 0.05~1.7% 범위를 가지며, 이 범위 내에서 탄소의 증가는 재료의 경도와 인장강도를 증가시키는 역할을 한다. 반면 연신율과 인성은 탄소가 증가함에 따라 감소하는 상반된 경향을 보인다. 탄소 함량이 0.77% 미만인 영역에서도 같은 경향이 나타나므로, 탄소 증가에 따라 경도는 증가하고 충격값은 감소한다고 정리한다.
열처리와 냉각 속도는 조직 형성과 기계적 성질에 중요한 영향을 준다. 급냉(수냉)을 하면 탄소의 확산이 억제되어 마텐자이트 조직이 형성되며, 이 조직은 경도와 인장강도가 가장 큰 특성을 보인다. 반대로 서냉이나 느린 냉각에서는 펄라이트 등 상대적으로 연한 조직이 형성된다.
불순물과 첨가원소는 특정 취성이나 내열성에 관여한다. 인(P)은 입계에 편석되어 상온취성(냉취성)을 일으키는 주요 원소이고, 황(S)은 고온취성을 유발하는 주원소로 구분한다. 크롬(Cr)은 고온에서 표면에 치밀한 산화피막을 형성하여 고온 산화와 내부 산화를 방지하므로 내열성 향상에 기여한다.
합금원소별 대표적 기능을 구분하면 학습과 문제풀이에 도움이 된다. 예컨대 구리(Cu)는 내식성 향상 및 입자 미세화로 인성을 개선하는 효과가 있으므로, 각 원소의 주된 역할을 혼동하지 않도록 기억한다.
탄소함유량이 증가하면 경도와 강도가 증가하고 연신율과 충격값은 감소한다는 관계를 이용하여 선지를 검토한다. 급냉이 주어졌을 때 조직으로 마텐자이트를 선택하면 경도와 인장강도가 최대라는 사실로 정답을 판단한다. 합금원소가 주어진 지문에서는 크롬이 고온 산화로부터 보호하는 역할을 한다는 점을 근거로 선택지를 좁힌다.
일반적인 탄소강에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?
정답 ④ · 문제는 일반 탄소강에 대한 설명 중 잘못된 것을 찾으라는 것이다. 상온가공과 저온가공의 정의에서 상온을 30℃ 이하로 한정하는 것은 잘못된 설명이다; 통상 상온가공은 약 0℃ 이상에서 통상적으로 수행되는 범위를 의미하므로 30℃ 이하 규정은 틀리다.
상온가공은 일반적으로 0℃~재결정 온도 사이를 말하며, 30℃ 이하라는 정의는 틀렸다.
탐소강은 탄소 함유량에 따라 그 성질이 변하는데 탄소량이 증가함에 따라 변화되는 일반적인 성질로 올바른 것은?
정답 ② · 문항은 탄소강에서 탄소량이 증가할 때 물성 변화의 일반적 경향을 묻고 있다. 탄소 함량이 증가하면 강의 경도와 강도는 증가하지만 연신율과 인성 등 연성은 감소하여 더 단단해지되 취성화되는 경향이 있다.
강재에서 탄소 함량이 증가하면 경도는 높아지지만, 연신율과 인성은 감소하여 더 단단하지만 깨지기 쉬워진다.
탄소강에 내열성을 증가시키기 위하여 첨가되는 합금원소로 고온에서 산화피막이 형성되어 내부에 산화되는 것을 방지하는 원소는?
정답 ① · 문제는 탄소강의 내열성과 고온 산화 저항성을 높이기 위해 첨가되는 합금원소를 묻고 있다. 고온에서 치밀한 산화피막을 형성하여 내부 산화를 방지하는 역할을 하는 원소는 크롬(Cr)으로, 크롬 첨가는 내열성 및 산화저항성을 향상시킨다.
내열성 및 고온 산화 방지에는 크롬(Cr)이 첨가되어 보호 산화피막을 형성한다.
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