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응고와 주조 조직

대부분의 순금속은 매끄럽고 둥그스름한 고액 계면으로 성장하는 데 비해, Si나 Bi는 평평한 결정면(패싯)으로 둘러싸여 성장하기 쉽다. 이 차이를 설명하는 기준으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A융점이 높은 물질일수록 계면의 원자가 움직이기 어려우며, 융점이 약 1000℃를 넘는 물질은 모두 패싯을 가지고 성장한다
  2. B열전도율이 낮은 물질일수록 잠열이 계면에서 빠져나가기 어려우며, 국부적으로 과열된 면이 패싯이 된다
  3. C융해 엔트로피가 큰(ΔSf/R이 약 2보다 큰) 물질일수록 계면이 원자적으로 평평해져 패싯을 가진다
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정답: C. 융해 엔트로피가 큰(ΔSf/R이 약 2보다 큰) 물질일수록 계면이 원자적으로 평평해져 패싯을 가진다

잭슨의 이론에서는 계면의 거칠기가 융해 엔트로피를 기체 상수로 나눈 α ≈ ΔSf/R로 정해집니다. 대부분의 금속은 α가 약 1로 계면이 원자적으로 거칠고 어디에나 원자가 붙을 수 있으므로, 약간의 과냉각으로도 연속적으로 성장합니다(비패싯). Si는 α가 약 3.6으로 크고 계면이 원자적으로 평평해져, 단차가 있는 곳에서만 원자가 붙으므로 패싯으로 둘러싸인 형태로 성장하며 더 큰 과냉각이 필요합니다. 융점의 높이로 정해지는 것이 아니며, 융점이 약 1540℃인 철도 비패싯입니다. 열전도율도 형태를 정하는 주요 인자가 아닙니다. Al-Si 합금의 공정 Si가 판상이 되는 것도 Si가 패싯 성장하기 때문입니다.

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  1. 합금의 일방향 응고에서 평평하던 고액 계면이 요철이 있는 계면으로 바뀌는 원인이 되는 조성적 과냉에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가? k < 1인 합금으로 한다.
  2. 조성적 과냉이 일어나지 않고 평평한 계면으로 응고하는 조건은 G/V ≥ ΔT₀/D_L로 나타낸다(G는 계면의 액상 쪽 온도 기울기, V는 성장 속도, D_L은 액상 중 용질의 확산 계수, ΔT₀ = mC₀(1 − k)/k는 응고 온도 범위). Al-2.0 wt%Cu 합금(액상선 기울기의 크기 m = 3.4 K/wt%, k = 0.17, D_L = 3.0×10⁻⁹ m²/s)을 V = 1.0×10⁻⁵ m/s로 성장시킬 때, 평평한 계면을 유지하는 데 필요한 최소 온도 기울기에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  3. 합금의 응고에서 온도 기울기 G와 성장 속도 V를 바꾸었을 때 고액 계면의 형태와 조직의 미세함에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  4. FCC나 BCC의 입방정 금속에서 덴드라이트가 성장할 때, 줄기와 가지가 뻗는 결정 방위와 그것이 주물의 주상정에 미치는 영향에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
  5. 알루미늄 합금 주물의 2차 덴드라이트 암 간격 λ₂와 냉각 속도 Ṫ 사이에 λ₂ = A·Ṫ^(−1/3)의 관계가 있다고 하자. 냉각 속도 1.0 K/s인 부분에서 λ₂ = 50 µm였다. 냉각 속도 125 K/s인 부분의 λ₂에 가장 가까운 것은 무엇인가?