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기계일반/국가직 9급

2011년 국가직 9급 기계일반 문제 및 해설

by 공기계 2022. 11. 1.

문 01. 항온 열처리 방법이 아닌 것은?
① 오스템퍼링(austempering)
② 마래징(maraging)
③ 마퀜칭(marquenching)
④ 마템퍼링(martempering)

 

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<오스템퍼링, austempering>
$ M_{s} $직전에서 베이나이트 변태를 완료시키고 공랭한다. 강의 오스테나이트 상태를 TTT 곡선의 노즈(약 550℃)와 $ M_{s} $점 사이의 온도로 급랭하여 과랭 오스테나이트를 담금질온도에서 염욕(소금물) 중에 넣어 항온 변태시켜 공기 중에서 냉각시키는 항온 열처리법이다. 이러한 항온 변태를 베이나이트 변태라고 한다. 이때 생기는 생성물을 베이나이트(bainite)라고 한다. 베이나이트는 인성이 크고 담금질 변형과 균열을 방지할 목적에 쓰인다.

<마퀜칭, marquenching>
오스테나이트 상태까지 가열한 강을 항온 변태 곡선의 노즈 이하의 온도까지 급랭한 후 이 온도를 유지하고 천천히 $ M_{s} $점과 $ M_{f} $점을 통과시키는 담금질을 한 후 템퍼링을 하는 열처리

<마템퍼링, martempering>
오스테나이트 상태까지 가열한 강을 항온 변태 곡선에서 $ M_{s} $점과 $ M_{f} $점 사이에서 항온 변태를 완료시켜 상온까지 급랭시키는 열처리. $ M_{s} $와 $ M_{f} $구간에서 Ar"변태를 완료시킨다. 이때 마텐자이트와 베이나이트의 혼합조직이 된다.

<마레이징강>
극저탄소 마텐자이트를 시효석출에 의하여 강인화시킨 강으로 시효경화강 중에서 가장 기계적 성질이 우수하다.


문 02. 보일러 효율을 향상시키는 부속장치인 절탄기(economizer)에 대한 설명으로 옳은 것은?
① 연도에 흐르는 연소가스의 열을 이용하여 급수를 예열하는 장치이다.
② 석탄을 잘게 부수는 장치이다.
③ 연도에 흐르는 연소가스의 열을 이용하여 연소실에 들어가는 공기를 예열하는 장치이다.
④ 연도에 흐르는 연소가스의 열을 이용하여 고온의 증기를 만드는 장치이다.

 

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<미분탄기 또는 분탄기, pulverizer>
석탄을 잘게 부수는 장치

<공기예열기, air preheater>
연도에 흐르는 연소가스의 열을 이용하여 연소실에 들어가는 공기를 예열하는 장치

<과열기, superheater>
연도에 흐르는 연소가스의 열을 이용하여 고온의 증기를 만드는 장치


문 03. 클러치를 설계할 때 유의할 사항으로 옳지 않은 것은?
① 균형상태가 양호하도록 하여야 한다.
② 관성력을 크게 하여 회전 시 토크 변동을 작게 한다.
③ 단속을 원활히 할 수 있도록 한다.
④ 마찰열에 대하여 내열성이 좋아야 한다.

 

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<클러치 설계 유의 사항>
 - 접촉면의 마찰계수를 적당한 크기로 설계해야 한다.
 - 관성력을 작게 하여 회전시 토크 변동을 작게 한다.
 → 관성이 크면 변속할 때 소음이 발생하고 기어가 신속히 물리지 않는다.
 → 소형 및 경량으로 하여 관성력을 작게 한다.
 - 마찰 발생될 때 적당한 수정이 행해지고 열이 충분하게 제거되어야 함.
 - 단속을 원활히 할 수 있도록 한다.
 - 큰 외력이 필요 없어야 한다.
 - 균형상태가 양호하도록 설계하여야 한다.
 - 마찰열에 대하여 내열성이 좋아야 한다.
 - 원추 클러치의 원뿔각은 10~15° 범위이다.


문 04. 산업설비 자동화의 장점에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 생산속도를 향상시키고 생산량을 증대시킬 수 있다.
② 위험한 작업환경에서 작업자의 안정성을 높인다.
③ 생산품의 품질이 균일해지고 향상된다.
④ 자동화라인은 단위 기계 별 고장 대처 및 유지 보수에 유리하다.

 


문 05. 주물에 사용하는 주물사가 갖추어야 할 조건으로 옳지 않은 것은?
① 열 전도도가 낮아 용탕이 빨리 응고되지 않도록 한다.
② 주물표면과의 접합력이 좋아야 한다.
③ 열에 의한 화학적 변화가 일어나지 않도록 한다.
④ 통기성이 좋아야 한다.

 

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<주물사의 조건>
 - 형태로 만들기 좋은 성형성이 있어야 한다.
 - 가스가 잘 통하는 통기성이 있어야 한다.
 - 열을 전달하는 열전도성이 불량해야 한다.
 → 쇳물이 빨리 응고하지 않도록 유동성을 향상시켜야 한다.
 - 높은 온도에서 용해되지 않는 특성이 있어야 한다.
 - 불에 견디는 내화성(내열성)이 크고 화학적 변화가 없어야 한다.
 - 주물사는 주입된 쇳물의 응고와 수축에 대하여 신축성이 있어야 한다.
 - 모양을 유지할 수 있도록 적당한 결합력·강도를 가져야 한다.
 - 주물 표면에서 이탈이 잘 되도록 붕괴성이 있어야 한다.
 → 응고 후 주형 파괴나 주물을 주형에서 뽑아내는 작업이 쉬워야 한다.
 - 온도를 품고 있는 능력인 보온성이 있어야 한다.
 - 쉽게 노화되지 않고 용융금속을 품고 있는 능력인 복용성이 있어야 한다.
 - 적당한 알갱이 크기, 즉 적당한 입도를 가져야 한다.
 → 입자가 크면 사이사이 공간이 많아서 통기성이 커진다.
 → 입자가 작으면 주물의 표면이 우수해지나, 통기성이 안 좋다.
 - 가격이 싸고 구입이 용이해야 한다.


문 06. 특정한 온도영역에서 이전의 입자들을 대신하여 변형이 없는 새로운 입자가 형성되는 재결정에 대한 설명으로 가장 부적절한 것은?
① 재결정 온도는 일반적으로 약 1시간 안에 95%이상 재결정이 이루어지는 온도로 정의한다.
② 금속의 용융 온도를 절대온도 T이라 할 때 재결정 온도는 대략 0.3T~0.5T 범위에 있다.
③ 재결정은 금속의 연성을 증가시키고 강도를 저하시킨다.
④ 냉간 가공도가 클수록 재결정온도는 높아진다.

 

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냉간가공도가 클수록 재결정 온도는 낮아지다가 점차로 일정해진다. 사실상 거의 가공도와 반비례라고 봐도 됨. 재결정과 관련하여 결정립 성장, 2차 재결정, 소둔 쌍정의 형성 등의 현상이 수반된다.

 

<금속의 재결정온도>
 - 재결정온도는 일반적으로 약 1시간 이내에 재결정이 완료되는 온도
 - 금속의 용융 온도를 Tₘ이라 할 때
 → 재결정 온도는 대략 0.3Tₘ~0.5Tₘ 범위 내에 있다.
 - 재결정은 금속의 연성은 증가시키고 강도는 저하시킨다.
 - 재결정온도는 금속의 순도가 높을수록 낮아진다.
 - 재결정온도는 금속의 냉간가공률이 클수록 낮아진다.
 - 재결정온도는 금속의 가공시간이 길수록 낮아진다.
 - 재결정온도는 금속의 가공전의 결정 입자가 미세할수록 낮아진다.

<재결정의 특징>
 - 결정립계를 통해 원자들이 이동·교환하는 확산(diffusion) 현상이다.
 → 시간의 함수이다.
 - 냉간가공도가 일정한 경우, 온도가 증가함에 재결정 시간이 줄어든다.
 - 냉간가공도가 클수록 재결정온도는 낮아지다가 일정해진다.
 → 일정해지는 이유는 가공도가 임계점에 도달했기 때문이다.
 → 사실상 거의 가공도와 반비례라고 봐도 된다.
 - 냉간가공도가 클수록 재결정 입자크기는 작아진다.
 → 이는 조대입자 구조를 미세입자로 바꾸어 성질을 개선시킬 때 이용
 → 냉간가공도가 증가하면 전위 수와 축적에너지도 증가하기 때문이다.
 → 이 에너지는 재결정에 필요한 일을 공급한다.
 - 선택적 방향성은 재결정 후에도 유지된다.
 → 등방성을 회복하려면 재결정온도보다 더 높은 온도가 필요하다.
 - 결정립 성장, 2차 재결정, 소둔쌍정의 형성 등의 현상이 수반된다.

<냉간가공도>
 - 가공도 ≠ 가공이 잘 되는 정도
 - 가공을 할수록 가공도가 높아지는 것을 의미한다.
 → 가공도가 임계점에 도달하면 가공을 할 수가 없다.
 → 가공도가 감소하다가 일정해지는 이유가 바로 이것이다.
 - 가공도가 큰 재료의 재결정은 낮은 온도에서 생긴다.
 → 가공 완성도가 상대적으로 크다.
 → 이미 가공경화를 일으킬대로 일으키고, 임계 상태에 도달함.
 → 재결정 온도까지 가열해서 변형에너지를 풀어줘야 한다.
 - ex) 압연의 경우
 - 가공을 하면 할수록 판재가 줄어들면서 입자가 작아진다.
 → 그 자체가 가공도가 높으니깐 입자가 작아지게 된다.


문 07. 단인공구가 사용되는 공정으로만 묶인 것은?
① 외경선삭, 형삭, 평삭
② 리밍, 브로칭, 밀링
③ 밀링, 드릴링, 형삭
④ 드릴링, 브로칭, 외경선삭

 

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외경선삭, 형삭, 평삭 등에 사용되는 절삭공구는 단인공구이며, 리밍, 브로칭, 밀링, 드릴링 등에 사용되는 절삭공구는 일반적으로 다인공구이다.


문 08. 절삭속도 628m/min, 밀링커터의 날수를 10, 밀링커터의 지름을 100mm, 1날당 이송을 0.1mm로 할 경우 테이블의 1분간 이송량[mm/min]은? (단, π는 3.14이다.)
① 1,000
② 2,000
③ 3,000
④ 4,000

 

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<절삭속도>         <분당 이송량>

$ v = \frac{ \pi DN}{1,000} $     $f=f_{z}NZ$

v: 절삭속도(m/min), t: 절삭시간(min), l: 가공길이(mm), N: rpm(rev/min), f: 분당 이송량(mm/rev), $f_{z} $: 날 수


문 09. 산화철 분말과 알루미늄 분말의 혼합물을 이용하는 용접방법은?
① 플러그 용접
② 스터드 용접
③ TIG 용접
④ 테르밋 용접

 

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<플러그 용접>
접합하는 부재의 한쪽에 구멍을 뚫고 판의 표면까지 가득하게 용접하고 다른 쪽 부재와 접합하는 용접

<스터드 용접, stud welding>
강봉을 모재에 심는 일종의 아크용접법으로, 막대(스터드)를 모재에 접속시켜 전류를 흘린 다음 막대를 모재에서 조금 떼어 아크를 발생시켜 적당히 용융했을 때 다시 용융지에 밀어붙여서 용착시키는 방법

<TIG 용접>
전극으로 텅스텐을 사용하여 알곤, 헬륨 등의 불활성 가스를 분사하면서 용접하는 방법으로 금속 산화물의 발생이나 불순물의 혼입이 적다.

<테르밋 용접의 특징>
 - 알루미늄과 산화철을 혼합, 발생하는 발생열로 용접을 실시.
 - 용접시간이 짧고 설비비가 싸다.
 - 전력이 필요없고 반응으로 인한 발생열은 3,000℃이다.
 - 용접접합강도가 작고 용접변형이 적다.
 - 레일접합, 차축, 선박 등의 맞대기용접, 보수용접에 사용된다.
 - 알루미늄 산화철 1:3 비율로 혼합
 - 주조용접과 가압용접 두 종류가 있다.
 - 작업장소 이동이 쉽고 결과의 재현성이 높다.


문 10. 스테인레스강(stainless steel)의 구성 성분 중에서 함유율이 가장 높은 것은?
① Mo
② Mn
③ Cr
④ Ni

 


문 11. 알루미늄 재료의 특징에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 열과 전기가 잘 통한다.
② 전연성이 좋은 성질을 가지고 있다.
③ 공기 중에서 산화가 계속 일어나는 성질을 가지고 있다.
④ 같은 부피이면 강보다 가볍다.

 

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알루미늄은 공기 중에서 표면 산화되어 단단하고 조밀한 막으로 된 알루미늄 산화물인 알루미나로 표면이 덮여있으므로 산화가 계속 일어나지 않아 더 이상 부식이 진행되지 않는다. 알루미늄 표면을 덮고 있는 알루미나는 일종의 부동태이다.

<알루미늄, Al, Aluminum>
FCC, 비중 2.7, 융점 660℃, 은백색의 (비철)금속이며 대부분의 Al은 보크사이트로 제조한다.

<알루미늄의 특징>
 - 비중:2.7. 용융점: 660℃, 유동성이 작고 수축률이 크다.
 - 순도가 높을수록 연하며 변태점이 없다.
 - 열과 전기의 양도체로 열과 전기가 잘 흐른다.
 - 구리의 60% 수준으로, 열전도도와 전기전도도가 우수하다.
 - 전·연성이 우수하여 성형성이 우수하다.
 - 대기 중에서 내식성이 우수하지만 바닷물에는 부식된다.
 → 산, 알칼리, 염기성에 약하다.
 → 공기 중에서 산화피막을 발생시켜 내식성이 우수하다.
 - 비자성체이며 가볍고 같은 부피면 강보다 가볍다.
 - 드로잉 재료, 다이캐스팅 재료, 자동차 구조용 재료로 사용한다.
 - 열처리로 석출경화, 시효경화시켜 성질을 개선한다.
 - 일반적으로 용접이 쉽지 않지만 접합이 용이하다.
 → 브레이징이나 아르곤 가스 중에서는 저항용접이 용이하다.
 - 탈산 및 탈질 작용이 강하며, 결정립을 미세화한다.


문 12. 미끄럼 베어링의 장점이 아닌 것은?
① 충격 흡수력이 크다.
② 고속 회전에 적당하다.
③ 시동할 때 마찰저항이 작다.
④ 진동과 소음이 작다.

 

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<미끄럼 베어링의 장점>
 - 큰 하중을 견뎌낼 수 있다.
 - 구조가 간단하고 가격이 저렴하다.
 - 높은 회전속도로 운전할 수 있다.(공진영역 이상)
 - 전동과 소음이 적고 충격에 강하다.
 - 윤활이 원활한 경우 반영구적으로 사용할 수 있다.

<미끄럼 베어링의 단점>
 - 초기 기동 마찰이 크고 운전 중에 발열이 많다.
 - 윤활장치에 세심한 주의를 기울여야 한다.
 - 규격화되지 않아서 호환성이 거의 없다.
 - 윤활유의 점도 변화에 따른 영향을 많이 받는다.
 - 강성이 작다.


문 13. 공작물을 양극으로 하고 공구를 음극으로 하여 전기화학적 작용으로 공작물을 전기분해시켜 원하는 부분을 제거하는 가공공정은?
① 전해가공
② 방전가공
③ 전자빔가공
④ 초음파가공

 

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<전해가공>
공작물을 양극으로 하고 공구를 음극으로 하여 전기화학적 작용으로 공작물을 전기 분해시켜 원하는 부분을 제거하는 가공공정

<방전가공, EDM, electric discharge machining>
아크방전(불꽃방전)에 의한 전기에너지와 가공액의 폭발작용으로 공작물을 미소량 용해해가면서 표면을 조금씩 제거하여 금속, 다이아몬드, 루비, 사파이어 등을 절단, 구멍 뚫기, 연마하는 가공공정

<전자빔 가공, electronic beam processing>
진공 중에서 고전압, 고에너지를 지닌 열전자를 렌즈를 통해 가는 빔(전자총)을 만들어 공작물에 집중 투사시켜 발생되는 고열로 공작물을 용해, 분출 혹은 증발시켜 가공하는 공정이다. 금속, 보석류 그 밖의 재료를 가공이 가능하고 전자빔은 매우 미세하므로 종래의 기계가공에서는 할 수 없는 미세한 가공을 높은 정밀도로 할 수 있다.

<초음파가공, ultra sonic machining>
물이나 경유 등에 연삭입자를 혼합한 가공액을 공구의 진동면과 공작물 사이에 주입해가면서 초음파에 의한 상하진동으로 숫돌입자가 공작물 표면을 때리면서 다듬질하는 가공공정


문 14. 미끄럼을 방지하기 위하여 안쪽 표면에 이가 있는 벨트로 정확한 속도가 요구되는 경우에 사용되는 전동벨트는?
① 링크(link) 벨트
② V 벨트
③ 타이밍(timing) 벨트
④ 레이스(lace) 벨트

 

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<타이밍 벨트, timing belt>
안쪽 표면에 이가 있어서 정확한 속도 전달이 가능한 전동 벨트이다. 큰 힘의 전동에는 적합하지 않고 고속 저하중용으로 식품제조기계, 섬유기계, 사무기계 등의 비교적 소형인 자동기계 또는 자동차 엔진의 크랭크축과 캠축 사이의 전동 등에 사용된다. 벨트의 이와 풀리의 이가 물리므로 미끄러짐이 거의 없고 풀리의 지름을 작게 할 수 있지만 V벨트보다 힘저항이 작다.

<링크 벨트, link belt>
여러 가지 조각의 벨트를 핀 등으로 연결한 벨트이며 체인 벨트라고도 한다. 축간 거리가 짧고 속도비가 큰 경우의 전동 벨트로 사용된다. 가죽제와 강철제의 2종류가 있는데, 전자는 고속용으로는 부적합하며 후자는 강판의 표면에 가죽을 붙인 것으로 급유할 필요가 없고 24m/s 이상의 고속도에도 사용 가능하다.

<V 벨트, V belt>
V자형 단면의 벨트로 V형 홈의 바퀴에 걸어서 사용한다. 평벨트에 비하여 고속에서도 잘 미끄러지지 않으며 전동 능률이 좋고 소음이 적다. 단거리의 2축 운전에 적합하다. 단면의 크기에 따라서 M, A, B, C, D, E의 종류가 있다.

<레이스 벨트, lace belt>
원형의 긴 끈으로 된 벨트로 전달력이 작은 소형 공작기계의 전동 벨트로 사용된다.


문 15. 유압회로에서 접속된 회로의 압력을 설정된 압력으로 유지시켜주는 밸브는?
① 릴리프(relief) 밸브
② 교축(throttling) 밸브
③ 카운터밸런스(counter balance) 밸브
④ 시퀀스(sequence) 밸브

 

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<교축 밸브, throttling valve>
통로의 단면적에 변화를 주어 교축작용으로 유량을 조절하는 밸브

<카운터 밸런스 밸브, counter balance valve>
중력에 의한 낙히늘 방지하기 위해 배압을 유지하는 압력제어밸브이다. 회로의 일부에 배압을 발생시키고자 할 때 사용하며 한 방향의 흐름에는 설정된 배압을 주고 반대방향의 흐름은 자유흐름으로 하는 밸브이다.

<시퀀스 밸브, sequence valve>
작동순서를 제어하는 밸브

<릴리프 밸브, relief valve>
회로의 압력이 설정압력에 도달하면 유체의 일부 또는 전량을 배출시켜 회로 내의 압력을 설정값 이하로 유지하는 압력제어 밸브(1차 압력 설정용), 소정의 압력 이상으로 내부압력이 올라가지 않도록 하여 안전 밸브와 같은 역할을 한다.


문 16. 동일 재질로 만들어진 두 개의 원형단면 축이 같은 비틀림 모멘트 T를 받을 때 각 축에 저장되는 탄성 에너지의 비(U₁/U₂)는? (단, 두 개의 원형 단면 축 길이는 L₁, L₂ 이고, 지름은 D₁, D₂이다.)

① $\frac{ U_{1} }{ U_{2} } =   (\frac{ D_{1} }{ D_{2} })^{4}  \frac{ L_{2} }{ L_{1} } $

② $\frac{ U_{1} }{ U_{2} } =   (\frac{ D_{1} }{ D_{2} })^{4}  \frac{ L_{1} }{ L_{2} } $

③ $\frac{ U_{1} }{ U_{2} } =   (\frac{ D_{2} }{ D_{1} })^{4}  \frac{ L_{2} }{ L_{1} } $

④ $\frac{ U_{1} }{ U_{2} } =   (\frac{ D_{2} }{ D_{1} })^{4}  \frac{ L_{1} }{ L_{2} } $

 

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<탄성 변형 에너지>
$U= \frac{1}{2} P \delta = \frac{1}{2} T \theta $

 

<축의 비틀림각>

$\theta = \frac{TL}{G I_{P} } = \frac{32TL}{G \pi  d^{4} } (rad)$


문 17. 선반을 이용한 가공으로 옳지 않은 것은?
① 나사깍기(threading)
② 보오링(boring)
③ 구멍뚫기(drilling)
④ 브로칭(broaching)

 

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<선반작업>
외경절삭, 단면절삭, 절단홈작업, 테이퍼절삭, 드릴링, 보링, 나사절삭, 정면절삭, 곡면절삭, 총형절삭, 널링작업


문 18. 펌프의 송출유량이 Q[m³/s], 양정이 H[m], 액체의 밀도가 1,000[kg/m³]일 때 펌프의 이론동력 L을 구하는 식으로 옳은 것은? (단, 중력가속도는 9.8m/s²이다.)
① L=9,800QH (kW)
② L=980QH (kW)
③ L=98QH (kW)
④ L=9.8QH (kW)

 

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<펌프의 이론 동력>
$L= \rho gQH [J/s]$


문 19. 다음 중 옳지 않은 것은?
① 아공석강의 서랭조직은 페라이트(ferrite)와 펄라이트(pearlite)의 혼합조직이다.
② 공석강의 서랭조직은 페라이트로 변태종료 후 온도가 내려가도 조직의 변화는 거의 일어나지 않는다.
③ 과공석강의 서랭조직은 펄라이트와 시멘타이트(cementite)의 혼합조직이다.
④ 시멘타이트는 철과 탄소의 금속간 화합물이다.

 

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<공석강의 서랭조직>
아공석강  α + 펄
공석강           펄
과공석강       펄 + 시

<723℃에서 탄소함량에 따른 Fe-C의 조직변화 과정>
공석강의 서랭조직은 펄라이트로 변태종료 후 온도가 내려가도 조직의 변화는 거의 일어나지 않는다.

<아공석강, hypo-eutectoid steel, 탄소량 0.76~0.86 미만>
오스테나이트의 결정 경계에서 페라이트가 형성되기 시작하고 723℃에서 나머지 오스테나이트가 펄라이트로 변한다. 따라서 경계부분은 초석 페라이트, 나머지 부분은 공석 페라이트와 공석 시멘타이트로 이루어진 펄라이트가 된다.

<공석강, eutectoid steel, 탄소량 0.76~0.86>
오스테나이트가 결정 경계부분부터 공석 반응을 일으켜 723℃에서 조직 전체가 공석 페라이트와 공석 시멘타이트로 변화된다. 이 두 조직은 층상으로 형성되는데 이렇게 형성된 조직을 펄라이트라고 한다.

<과공석강, hyper-eutectoid steel, 탄소량 0.76~0.86 초과>
오스테나이트 결정 경계에서 시멘타이트가 형성되고 723℃ 이하에서 나머지 조직이 펄라이트로 변한다. 따라서 경계면은 초석 시멘타이트, 나머지 조직은 공석 페라이트와 공석 시멘타이트로 구성된 펄라이트가 된다.


문 20. 기어의 설계시 이의 간섭에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 이에서 간섭이 일어난 상태로 회전하면 언더컷이 발생한다.
② 전위기어를 사용하여 이의 간섭을 방지할 수 있다.
③ 압력각을 작게 하여 물림길이가 짧아지면 이의 간섭을 방지할 수 있다.
④ 피니언과 기어의 잇수 차이를 줄이면 이의 간섭을 방지할 수 있다.

 

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압력각을 작게 하면 이의 간섭이 더 일어난다. 언더컷이 일어나지 않을 최소한의 잇수를 한계잇수라고 한다.

<압력각, pressure angle>
기어 잇면의 한 점에서 그 반경선과 치형으로의 접선과 이루어지는 각이다. 표준 인벌류트 치형의 압력각은 20°이다.


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