문 01. 열기관(엔진)의 특성에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?
① 디젤사이클의 열공급과정은 정압과정이다.
② 압축비를 올리면 디젤사이클의 효율은 증가한다.
③ 가솔린기관의 압축비는 20이상이다.
④ 압력비를 높이면 브레이튼 사이클의 효율이 증가한다.
③
<디젤 사이클, diesel cycle>
2개의 단열, 1개의 정압, 1개의 정적으로 이루어진 사이클
<디젤사이클의 효율>
$\eta =1-( \varepsilon ^{1-k} \times \frac{ \sigma ^{k}-1 }{k( \sigma -1)} )$
디젤사이클은 압축비(ε)와 단절비(σ)만의 함수이며 압축비는 크고 단절비는 작을수록 열효율이 증가한다.
<오토사이클의 압축비> <오토사이클의 열효율>
5~9 25~28%
<디젤사이클의 압축비> <디젤사이클의 열효율>
12~22 33~38%
압축비가 동일하다면, 오토사이클의 효율이 디젤사이클의 효율보다 크다. 하지만 디젤사이클에서는 압축비를 아무리 높여도 노킹의 염려가 없으므로 오토사이클보다 효율을 더욱 증대시킬 수 있다. 다만, 압축비를 너무 높이면 시스템의 최대압력도 높아지기 때문에 구조의 강도를 위해 중량이 커질 수 있다.
문 02. 이상적인 증기압축식 냉동사이클에서 압력이 일정하고 엔탈피가 감소하는 과정이 일어나는 장치는?
① 팽창밸브
② 증발기
③ 응축기
④ 압축기
③
<냉동기 주요 장치들의 역할 순환 순서>
- 증발한 저온ㆍ저압의 기체 냉매를 흡입ㆍ압축하여 압력을 상승시킴
- 토출된 고온ㆍ고압 냉매 가스의 열을 상온의 공기 중에 방출
→ 냉매액으로 응축시킴
- 고온ㆍ고압의 액체를 좁은 통로를 통해서 팽창
→ 저온ㆍ저압의 냉매액과 증기의 혼합 매체를 만듦
- 저온ㆍ저압의 습증기(액체 + 증기)를 증기 상태로 증발시킴
<냉동사이클에서의 4개의 중요 기기>
1 → 2 압축기(압력상승, 소요동력)
- 단열압축(등엔트로피과정)
2 → 3 응축기(기체에서 액체로 응축되면서 열방출)
- 정압방열, 엔트로피 감소, 엔탈피 감소
3 → 4 압력강하장치(팽창기, 압력강하, 일부 액체가 기체로 기화, 교축)
- 교축과정(등엔탈피과정)
4 → 1 증발기(액체가 기체로 기화되면서 열흡수, 냉동능력)
- 정압흡열, 등온, 엔트로피 증가, 엔탈피 증가
문 03. 선반에서 원형봉을 절삭할 때 발생되는 절삭저항의 3분력을 나열한 것으로 가장 옳은 것은?
① 표면분력 - 이송분력 - 주분력
② 주분력 - 배분력 - 이송분력
③ 이송분력 - 표면분력 - 배분력
④ 주분력 - 배분력 - 표면분력
②
<절삭저항의 3분력>
주분력, 배분력, 이송분력(횡분력)
크기는 주분력 > 배분력 > 이송분력 순이다.
문 04. 카르노 열기관(Carnot cycle)이 일정한 온도의 열원 500[K]와 400[K]사이에서 작동한다. 500[K] 고온으로부터 사이클 당 100[kJ]의 열을 받는다면 사이클당 생산하는 일의 값[kJ]은?
① 20
② 30
③ 40
④ 50
①
<카르노 사이클의 효율>
$\eta =1- \frac{T_L}{T_H}= \frac{W}{Q} $
<계산과정>
$\eta =1- \frac{400}{500} = \frac{1}{5} =0.2$
$100kJ \times 0.2=20kJ$
문 05. 면장갑을 사용해도 되는 작업은?
① 밀링 작업
② 선반 작업
③ 용접 작업
④ 드릴링 작업
③
공구가 회전하는 작업을 장갑끼고 하다가 회전하는거 터치하는 순간 그대로 말려들어가 끔찍한 일이 발생할 수 있다. 마찬가지로 머리카락도 조심해야 한다. 쏘우 같은 일이 일어날지도 모른다.
문 06. 황동(brass)의 주요 성분으로 옳은 것은?
① 구리(Cu)+주석(Sn)
② 구리(Cu)+인(P)
③ 구리(Cu)+규소(Si)
④ 구리(Cu)+아연(Zn)
④
<황동, brass>
구리 + 아연
<카트리지 브라스, cartridge brass>
가공용 황동의 대표적인 것으로 70 %, Cu 30 % Zn으로 판, 봉, 관, 선 등을 만들어 널리 사용, 자동차용 방열기, 소켓, 각종 일용품, 탄피, 장식품 등으로 가공하여 이용, 이 종류의 활동은 가공 재료이므로 지금을 엄선하여 불순물의 혼입을 방지하여야 한다. 연신율 및 인장 강도가 매우 높다.
<톰백, tombac>
Cu+Zn 5~20%으로 강도는 낮으나 전연성이 좋고, 색깔이 금색에 가까우므로 모조금(금대용품)이나 화폐, 메달, 금박단추 등에 사용된다.
<길딩 메탈, gilding metal>
Cu-Zn 5%, 메달이나 동전, 소총의 뇌관 재료
<커머셜 브레스, commercial brass>
Cu-Zn 10%, 나사, 금속공구류, 딥 드로잉 재료, 청동대용
<레드 브레스, red brass>
Cu-Zn 15%, 건축용 소품, 소켓
<로우 브레스, low brass>
Cu-Zn 20%, 장식용 부품, 악기
<애드미럴티 황동, admiralty brass>
7:3 황동 + Sn 1% 내외이며, 전연성이 좋으므로 관, 판을 만들어 증발기, 열교환기 등의 관에 이용된다. 또한 소금물에도 부식이 일어나지 않고, 해군의 제복 단추 등에 사용된다. (글자 수 7개라서 7:3 황동이 들어감)
<네이벌 황동, naval brass>
6:4황동 + Sn 1% 내외이며, 판, 봉 등으로 가공되어 용접봉, 파이프 선박용 기계에 사용된다.
<6:4황동, muntz metal, 문쯔메탈>
- 6:4 황동은 600℃ 이하에서 가공 가능
- Zn 40%일 때 인장강도 최대
- 열전도 전기전도는 Zn 34%까지 낮아지다가 50%에서 최대
- 경년변화, 시간경과에 따라 경도 등 악화 됨
- α+조직, 탈아연 부식(Cl이 원인)
- 전연성이 낮고 인장강도는 크다.
- 내식성이 다소 낮지만 타 황동에 비해 값이 싸다.
<델타 메탈, delta metal>
6:4황동에 Fe, Mn, Ni 등을 넣어서 여리지 않고 더욱 강력하며 또 내식성, 내해수성을 증가한 것을 고강도 황동 또는 망간청동이라고 한다. 6:4황동에 1% Fe을 함유한 것을 델타메탈(철황동)이라 하고 강도와 내식성이 좋다. 7:3황동에 2% Fe와 소량의 Sn, Al을 넣은 것을 듀라나 메탈(durana metal) 이라 하고 주조재, 가공재로 사용한다.
문 07. 압입자의 꼭지각이 136°인 피라미드형 다이아몬드를 사용하며 시험편을 눌러 시험편에 생긴 오목부의 표면적으로 단단한 정도를 측정하는 시험방법은?
① 비커스 경도
② 로크웰 경도
③ 브리넬 경도
④ 쇼어 경도
①
<비커스 경도, vickers hardness>
136°인 다이아몬드 피라미드 압입자에 1 ~ 120 [kgf]의 하중을 걸어 자국의 대각선 길이로 경도를 측정하고, 하중을 가하는 시간은 캠의 회전속도로 조절한다. 특징으로는 압흔자국이 극히 작으며 시험 하중을 변화시켜도 경도 측정치에는 변화가 없다. 그리고 침탄층, 질화층, 탈탄층 의 경도 시험에 적합하다.
<비커스 경도의 산출식>
$HV= \frac{1.854P}{L^2} $
문 08. 공작기계 중 공구가 회전운동을 하지 않는 것은?
① 평면연삭기
② 밀링 머신
③ 드릴링 머신
④ 선반
④
① 평면연삭: 공구 회전
② 밀링: 공구 회전
③ 드릴링: 공구 회전
④ 선반: 공작물 회전
문 09. 표면장력과 관성력의 상대적인 크기를 나타내는 무차원수는?
① Froude 수
② Weber 수
③ Reynolds 수
④ Grashof 수
②
<무차원수 총정리>
레이놀즈수: 관성력 / 점성력
누셀수: 대류계수 / 전도계수
프루드수: 관성력 / 중력
비오트수: 대류열전달 / 열전도
마하수: 속도 / 음속, 관성력 / 탄성력
슈미트수: 운동량계수 / 물질전달계수
코시수: 관성력 / 탄성력
스토크수: 중력 / 점성력
오일러수: 압축력 / 관성력
푸리에수: 열전도 / 열저장
압력계수: 정압 / 동압
루이스수: 열확산계수 / 질량확산계수
스트라홀수: 진동 / 평균속도
스테판수: 현열 / 잠열
웨버수: 관성력 / 표면장력
그라쇼프스: 부력 / 점성력
프란틀수: 소산 / 전도, 운동량전달계수 / 열전달계수,
동점성 / 열확산
본드수: 중력 / 표면장력
문 10. 회전펌프의 종류가 아닌 것은?
① 나사 펌프
② 기어 펌프
③ 베인 펌프
④ 플런저 펌프
④
<용적형 펌프>
- 왕복식(피스톤 펌프 = 플런저 펌프, 다이어프램 펌프, 버킷 펌프)
- 회전식(기어 펌프, 나사 펌프, 베인 펌프, 캠 펌프, 스크류 펌프)
<비용적형 펌프, 터보형 펌프>
- 원심식(벌류트 펌프, 터빈 펌프)
- 사류 펌프, 축류 펌프
- 축사벌터
<특수펌프>
- 재생펌프, 제트펌프, 기포펌프, 수격펌프
문 11. 구리의 특성에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?
① 아연(Zn), 주석(Sn), 니켈(Ni) 등과 합금을 만들 수 없다.
② 유연하고 연성이 작아 가공이 어렵다.
③ 전성이 작고 귀금속적인 성질이 우수하다.
④ 전기 및 열의 전도성이 우수하다.
④
문 12. 베어링 메탈의 구비 조건이 아닌 것은?
① 하중에 견딜 수 있도록 충분한 강도와 강성을 가져야한다.
② 열전도율이 낮아야 한다.
③ 내식성과 피로강도가 커야 한다.
④ 마찰 마멸이 적어야 한다.
②
<미끄럼 베어링 재료의 요구사항>
- 내식성이 크고, 열전도율이 높아야 한다.
- 마모가 적고 피로강도가 높아야 한다.
- 마멸성이 적고, 마찰계수가 작아야 한다.
- 축 재료보다 낮은 탄성계수를 가져야 한다.
→ 축 재료보다 연질이어야 한다.
- 유막 형성이 쉽고, 오일 흡착력이 용이해야 한다.
- 하중에 견딜 수 있도록 충분한 압축(면압) 강도를 가져야 한다.
- 열붙음(녹아붙음)이 일어나기 어려워야 한다.
<베어링 재료로 사용하는 비금속 재료>
흑연, 플라스틱, 고무 등이 있다. 흑연은 고체 윤활제의 역할을 함으로써 별도의 윤활제가 필요하지 않다. 플라스틱은 윤활유가 없는 상태에서도 비교적 마찰 계수가 작고 내마멸성도 좋으며, 경계 윤활성이 좋아 베어링 재료로서 적합하다. 고무는 물과 같이 저점도 윤활제의 역할을 하며, 마찰 계수가 작고 진동, 충격의 흡수성이 우수하여 백 메탈(back metal)에 부착하여 사용한다.
문 13. 파스칼의 원리에 대한 설명으로 가장 옳지 않은 것은?
① 오일은 힘을 전달할 수 있다.
② 오일은 운동을 전달할 수 있다.
③ 단면적을 변화시키면 힘을 증대할 수 있다.
④ 공기는 압축되며, 오일도 압축된다.
④
오일은 비압축성 물질이다.
문 14. 금속 재료 탭 작업 시 주의사항으로 가장 옳지 않은 것은?
① 탭은 한쪽 방향으로만 계속 돌린다.
② 재료를 수평으로 단단히 고정한다.
③ 기름을 충분히 넣는다.
④ 재료의 구멍의 중심과 탭의 중심을 일치시킨다.
①
<태핑, tapping>
탭(tap)을 사용하여 암나사를 가공하는 자유단조 작업이다. (1번탭 55%, 2번탭 25%, 3번탭 20%)
<탭 작업시 주의사항>
- 공작물을 수평으로 단단히 고정시킨다.
- 구멍의 중심과 탭의 중심을 일치시킨다.
- 탭 핸들에 무리한 힘을 가하지 말고 수평을 유지한다.
- 기름을 충분히 넣는다.
- 탭을 한쪽방향으로만 돌리지 말고, 가끔 역회전하여 칩을 배출시킨다.
<탭 작업 중 탭이 부러지는 원인>
- 구멍이 바르지 못할 때
- 구멍이 작을 때
- 핸들에 무리한 힘을 주었을 때
- 칩의 배출이 원활하지 못할 때
- 탭이 구멍 바닥에 부딪혔을 때
문 15. 18-8형 스테인리스강의 성분으로 옳은 것은?
① 니켈 18%, 크롬 8%
② 티탄 18%, 니켈 8%
③ 크롬 18%, 니켈 8%
④ 크롬 18%, 티탄 8%
③
<스테인리스강을 조직에 따라 분류할 때의 기준조직>
- 페라이트계(Cr계, 강자성체)
- 마텐자이트계(Cr-Ni계, 강자성체)
- 오스테나이트계(Cr계, 18-8, 비자성체)
<오스테나이트계>
스테인리스강의 대략 70%를 차지하고 Cr(18)+Ni(8)의 표준 스테인리스강의 조직으로 상온의 열처리하지 않은 조직이다.
<페라이트계 스테인리스강, Cr계>
- 강에 Cr이 18% 함유한 조직으로 열처리하지 않은 조직이다.
- 강인성과 내식성이 있고 열처리에 의하여 경화할 수 있다.
- 표면을 잘 연마한 것은 공기 중 또는 수중에서 녹슬지 않는다.
- 유기산과 질산에는 침식하지 않으나 다른 산류에는 침식된다.
- 오스테나이트계에 비하여 내산성이 작다.
- 담금질 상태의 것은 내식성이 좋다.
→ 풀림상태 또는 잘 연마하지 않은 것은 녹슬기 쉽다.
- 침탄효과가 아주 좋은 편이다.
<마텐자이트계>
철에 Cr이 11.5% 함유한 담금질 조직으로 Cr 13% 강의 열처리 조직이다.
<듀플렉스 조직>
듀얼조직인 오스테나이트+페라이트의 혼합조직으로 강도 및 내식성이 좋아 내해수용, 고강도용 스테인리스강으로 사용되고 있다.
<18-8형 스테인리스강의 입계부식 원인>
오스테나이트 중의 탄소가 입계부근 근처로 이동하여, 크롬탄화물로 석출되기 때문이다. 이로 인해, 입계부근의 크롬함량이 감소하여 내식성 저하로 부식이 진행된다. 이를 방지하기 위해 니오븀, 티탄을 넣어 탄화물을 석출시켜 크롬탄화물 발생을 억제한다.
<입계부식 방지 원소>
Nb(니오븀), Ti(티탄), V(바나듐)
Nb클럽에서 Ti셔츠를 입은 여자를 봤고, 난 기분이 좋아 V(브이) 했다.
문 16. 기계의 안전 설계 시, 고려해야 할 안전율(safety factor)에 대한 정의로 가장 옳은 것은?
① 재료의 기준 강도와 전단 응력과의 비
② 재료의 기준 강도와 허용 응력과의 비
③ 재료의 극한 강도와 사용 응력과의 비
④ 재료의 극한 강도와 잔류 응력과의 비
②
<안전율, safety factor>
$S= \frac{인장강도(극한강도)}{허용응력} $
문 17. 환봉에 반경 방향으로의 압축력이 작용하면 중심에 인장력이 발생하는 원리를 이용한 공정으로, 길고 두꺼운 이음매 없는 파이프와 튜브(seamless pipe and tube)를 만드는 열간가공 공정으로 가장 옳은 것은?
① 회전천공
② 관재압연
③ 링압연
④ 강구전조 작업
①
<회전 천공, rotary tube piercing>
환봉에 반경 방향으로의 압축력이 작용하면, 중심에 인장력이 발생하는 원리를 이용한 공정으로, 길고 두꺼운 이음매 없는 파이프와 튜브를 만드는 열간가공 공정이다.
<관재압연, tube rolling>
맨드릴을 사용하거나, 사용하지 않는 관재압연으로 튜브와 파이프의 직경과 두께를 다양하게 가공할 수 있다. 필거 압연기(pilger mill)는 튜브와 내부맨드릴을 함께 왕복시키고 튜브를 주기적으로 회전시키면서 가공하여 최대직경 265mm에 달하는 강관을 가공할 수 있다.
<링 압연, ring rolling>
링압연은 두꺼운 링의 직경을 늘리면서 단면적을 감소시키는 공정이다. 링소재를 두 개의 롤 사이에 설치하고 바깥 롤을 회전구동시키면서 롤 간의 거리를 좁히면서 링두께를 줄여나간다. 소재의 체적은 일정하므로, 링의 두께가 얇아지면 링의 직경이 증가된다. 형상 롤(공형 롤)을 사용하면 다양한 단면모양의 링을 압연할 수 있다. 소재의 크기, 강도, 연성에 따라 상온이나 열간에서 작업된다. 동일한 제품을 만드는 다른 가공공정에 비해, 링압연은 제작시간이 짧고, 재료가 절감되며, 치수공차를 줄일 수 있고, 제품의 용도에 맞는 유리한 단류선(grain flow)을 얻을 수 있다. 링압연공정은 로켓이나 터빈에 사용되는 대형 링, 기어바퀴의 림, 볼베어링이나 롤러베어링의 레이스, 플랜지, 파이프의 보강링, 압력용기 등을 제작하는 데 사용된다.
<강구전조, skew rolling>
강구전조 작업은 압연단조와 비슷한 공정으로, 볼베어링용 강구는 보통 이 방법으로 제조된다. 소재는 선재나 봉재의 형태로 롤 사이에 이송되어 회전하는 롤에 의해 연속적으로 구형으로 성형된다. 만들어진 강구는 특수기계에서 연삭되고 연마가공된다. 볼베어링용 강구는 둥근 봉재를 전단한 뒤, 한 쌍의 반구형 금형 사이에서 업세팅하는 방법으로도 만들 수 있다.
문 18. 산소 8[kg]과 질소 2[kg]으로 혼합된 기체가 있다. 산소의 정압 비열은 1,000[$J/kg·K$]이고, 질소의 정압 비열은 1,500[$J/kg·K$]이라 할 때, 이 혼합기체가 갖는 정압 비열의 값[$J/kg·K$]은? (단, 주어진 조건 이외에는 고려하지 않는다.)
① 1,100
② 1,200
③ 1,300
④ 1,400
①
<정압비열>
$m_{1}C_{1}+ m_{2}C_{2}=( m_{1} + m_{2} ) C_{p} $
<계산과정>
$8 \times 1,000( J/kg·K )+2 \times 1,500( J/kg·K )=(8+2) \times C_{p}$$C_{p} =1,100$문 19. 금속 재료들의 열전도율과 전기전도율이 좋은 순서대로 바르게 나열한 것은?
① Al ＞Cu＞Pb＞Fe
② Cu＞Al ＞Fe＞Pb
③ Al ＞Cu＞Fe＞Pb
④ Cu＞Al ＞Pb＞Fe
②
<열전도율 및 전기전도율>
열 또는 전기가 얼마나 잘 흐르는가를 말한다.
전기전도율이 클수록 고유저항은 낮아진다.
→ 저항이 낮아야 전기가 잘 흐르기 때문이다.
<열전도율 및 전기전도율 순서>
Ag > Cu > Au > Cr > Al > W > Mg > Zn > Ni > Fe > Pt > Sn > Pb > Sb
→ 은구금크알 텅마아니철 백주납안
<선팽창계수>
선팽창계수는 온도가 1℃ 변할 때 단위길이당 늘어난 재료의 길이를 말한다.
Pb > Zn > Mg > Al > Cu > Fe > Cr > Mo
<연성>
가래떡처럼 길게 잘 들어나는 성질
Au > Ag > Al > Cu > Pt > Pb > Zn > Fe > Ni
<전성>
얇고 넓게 잘 펴지는 성질로 가단성과 같은 의미이다.
Au > Ag > Pt > Al > Fe > Ni > Cu > Zn
문 20. 길이 10[cm], 단면 2[cm]×3[cm]의 물체에 3[ton]의 인장력을 가하였을 때, 인장력에 의해 0.1[cm] 늘어났다. 물체에 작용하는 응력[$kgf/cm^2$]과 변형률[%]을 차례로 나열한 것은?
① 50, 1
② 50, 0.1
③ 500, 1
④ 500, 0.01
③
<응력, stress>
물체에 인장, 압축, 굽힘, 비틀림 등의 외력이 작용하면 물체 내부에 그 크기에 대응하여 재료 내부에 저항력이 생기며 이것을 내력이라고 한다. 이 내력을 단위면적으로 나누어 준 것이 바로 응력이다.
<계산과정>
$\sigma = \frac{3,000(kgf)}{2 \times 3(cm^2)}=500kgf/cm^2$
$\frac{0.1(cm)}{10(cm)} \times 100=1$
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