스트레스가 감쇠 성능을 극대화? CuZnAl 형상기억합금의 숨겨진 잠재력

이 기술 요약은 N. CIMPOEȘU 외 저자가 2010년 JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS에 발표한 학술 논문 "Effect of stress on damping capacity of a shape memory alloy CuZnAl"을 기반으로 합니다. 이 자료는 고압 다이캐스팅(HPDC) 전문가를 위해 CASTMAN의 전문가들이 Gemini, ChatGPT, Grok과 같은 LLM AI의 도움을 받아 분석하고 요약한 것입니다.

Keywords

• Primary Keyword: 형상기억합금 감쇠능 (Shape Memory Alloy Damping Capacity)
• Secondary Keywords: CuZnAl 합금, 내부 마찰, 저장 탄성률, 마르텐사이트 변태, 동적 기계 분석(DMA), 진동 감쇠

Executive Summary

• The Challenge: 공학 구조물에서 원치 않는 소음과 진동을 효과적으로 줄일 수 있는 고성능 감쇠 재료를 개발하는 것은 오랜 과제였습니다. 특히, 형상기억합금(SMA)의 우수한 감쇠능을 실제 적용 가능한 온도 범위에서 최적화하는 것이 중요합니다.
• The Method: 연구팀은 고전적인 용해법으로 CuZnAl 형상기억합금을 제작했습니다. 이후 단조(deformed) 및 인장(tensioned) 상태의 시편에 대해 미세구조(SEM), 열팽창(DIL), 시차주사열량(DSC), 동적 기계 분석(DMA)을 수행하여 재료의 기계적, 열적 특성 변화를 정밀하게 분석했습니다.
• The Key Breakthrough: 재료에 가해진 기계적 스트레스(인장)가 합금의 감쇠 특성을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. 특히, 인장 상태의 시편은 변형만 가한 시편보다 더 낮은 온도(상온에 가까운)에서 더 높은 내부 마찰 피크(감쇠능)를 보였습니다.
• The Bottom Line: 기계적 스트레스를 제어함으로써 형상기억합금의 감쇠 성능이 극대화되는 온도 범위를 조절할 수 있습니다. 이는 특정 작동 환경에 맞춰 진동 감쇠 성능을 '튜닝'할 수 있는 새로운 가능성을 제시하며, 수동적 진동 제어 장치 설계에 중요한 실용적 지침을 제공합니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

엔지니어링 구조물, 자동차 부품, 정밀 기기 등에서 발생하는 진동과 소음은 제품의 성능 저하, 수명 단축, 사용자 불쾌감의 주요 원인입니다. 이를 해결하기 위해 높은 감쇠능(damping capacity)을 가진 재료의 사용이 필수적입니다. 형상기억합금(SMA)은 가역적인 마르텐사이트 상변태(martensitic phase transition) 과정에서 높은 에너지 소산 능력을 보여주어 차세대 고감쇠 재료로 주목받아 왔습니다 (Ref. [1, 2]).

하지만 SMA의 높은 감쇠능은 주로 특정 온도 범위인 상변태 구간에서만 발현됩니다. 따라서 실제 제품의 작동 온도에 맞춰 이 고감쇠 구간을 최적화하는 것이 상용화의 핵심 과제였습니다. 이 연구는 재료의 조성뿐만 아니라, 가공 공정(단조)과 사용 중 받는 스트레스(인장)가 감쇠 특성에 미치는 영향을 규명하여 이 문제를 해결하고자 했습니다. 이는 HPDC 부품 설계 시 재료의 기능적 특성을 극대화하려는 엔지니어들에게 중요한 통찰을 제공합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

연구팀은 CuZnAl 형상기억합금의 감쇠 특성을 규명하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

1. 합금 제조: 고순도의 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al)을 실험실용 흑연 도가니로에서 용해하여 Cu-Zn-Al계 합금을 제조했습니다. 최종 화학 성분은 스파크 분광 분석 및 EDAX를 통해 정밀하게 측정되었습니다 (Table 1).
2. 시편 준비: 제조된 합금은 두 가지 상태로 준비되었습니다. 첫째는 1073K에서 열간 단조(hot forging)를 통해 제작된 '변형(deformed)' 시편입니다. 둘째는 단조된 시편에 4%의 인장 변형을 가한 '인장(tensioned)' 시편입니다.
3. 특성 분석:
   • 미세구조 분석: 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 변형 및 인장 상태에서의 마르텐사이트 변형 거동을 관찰했습니다 (Figure 2).
   • 상변태 온도 측정: 딜라토미터(DIL 402)와 시차주사열량계(DSC)를 사용하여 가열 및 냉각 시 재료의 상변태 온도를 측정했습니다 (Figure 3, Figure 5).
   • 동적 기계적 거동 분석: 동적 기계 분석기(DMA 242 C)를 사용하여 온도 변화에 따른 내부 마찰(tan δ, 감쇠능의 척도)과 저장 탄성률(E', 재료의 강성)의 변화를 측정했습니다 (Figure 4, Figure 6).

이러한 다각적인 분석을 통해 스트레스가 CuZnAl 합금의 미세구조와 상변태 거동에 미치는 영향을 파악하고, 이것이 최종적으로 감쇠 성능에 어떻게 연결되는지를 규명했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

본 연구는 스트레스가 CuZnAl 형상기억합금의 감쇠 성능을 제어하는 핵심 요소임을 명확히 보여주었습니다.

• Finding 1: 변형 상태에서의 높은 감쇠능 확인 단조된(deformed) 상태의 시편은 마르텐사이트 변태가 일어나는 온도 범위에서 뚜렷한 내부 마찰 피크를 보였습니다. DMA 분석 결과, 약 363K에서 0.11635라는 높은 tan δ 값을 기록했으며, 이는 해당 온도에서 재료가 우수한 진동 감쇠 능력을 가짐을 의미합니다. 이 피크는 저장 탄성률(E')이 급격히 감소하는 지점과 일치하여, 상변태가 감쇠의 주된 메커니즘임을 확인시켜 줍니다 (Figure 4).
• Finding 2: 인장 스트레스에 의한 감쇠 특성 변화 4% 인장된(tensioned) 시편은 훨씬 더 주목할 만한 결과를 보였습니다. 내부 마찰 피크가 약 333.8K로 더 낮은 온도로 이동했으며, 피크 값은 0.1607로 변형 상태보다 약 38% 더 높게 나타났습니다 (Figure 6). 이는 인장 스트레스가 감쇠 성능을 극대화하는 온도를 상온에 더 가깝게 만들고, 감쇠 능력 자체도 향상시켰음을 의미합니다.
• Finding 3: 스트레스에 의한 상변태 온도 이동 DSC 및 DIL 측정 결과, 인장 상태의 시편은 변형 상태의 시편(339-369K)에 비해 더 낮은 온도(313-350K)에서 상변태가 일어나는 것으로 확인되었습니다 (Figure 3, Figure 5). 이는 내부 마찰 피크의 이동이 마르텐사이트 변태 온도의 변화와 직접적으로 연관되어 있음을 입증하는 강력한 증거입니다.
• Finding 4: 미세구조 변화 관찰 SEM 분석 결과, 인장 응력은 마르텐사이트 변형(variant)들의 재배향을 유도하는 것으로 나타났습니다 (Figure 2). 이러한 미세구조적 변화가 상변태 거동 및 감쇠 특성 변화의 근본적인 원인으로 작용합니다.

Practical Implications for HPDC Products

이 연구 결과는 형상기억합금을 활용한 고성능 부품 설계 및 제조에 중요한 실용적 시사점을 제공합니다.

• 공정 엔지니어를 위해: 이 연구는 기계적 가공(스트레스 인가)이 재료의 기능적 특성을 '튜닝'하는 효과적인 수단이 될 수 있음을 보여줍니다. 예를 들어, 특정 부품에 의도적인 사전 변형(pre-strain)을 가함으로써, 해당 부품이 실제 작동하는 온도 환경에서 최적의 진동 감쇠 성능을 발휘하도록 설계할 수 있습니다. 이는 "재료 특성의 맞춤 설계"라는 새로운 접근법을 제시합니다.
• 품질 관리를 위해: 저장 탄성률(E')과 내부 마찰(tan δ) 사이의 명확한 상관관계(Figure 4, Figure 6)는 품질 관리의 새로운 지표로 활용될 수 있습니다. 특정 온도에서 E' 값의 변화를 모니터링함으로써 부품의 감쇠 성능을 비파괴적으로 예측하고, 잠재적인 성능 저하를 조기에 발견할 수 있습니다.
• 제품 설계를 위해: 진동에 민감한 자동차, 항공우주, 전자제품의 부품 설계 시, CuZnAl과 같은 형상기억합금을 적용하고 적절한 기계적 처리를 가하면 기존 재료로는 달성하기 어려웠던 뛰어난 수동적 감쇠 시스템을 구현할 수 있습니다. 특히, 이 연구는 상온에 가까운 온도에서 높은 감쇠 성능을 얻을 수 있는 구체적인 데이터(Figure 6)를 제공하여 설계의 신뢰성을 높여줍니다.

Paper Details

Effect of stress on damping capacity of a shape memory alloy CuZnAl

1. Overview:

• Title: Effect of stress on damping capacity of a shape memory alloy CuZnAl
• Author: N. CIMPOEȘU, S. STANCIU, M. MAYER, I. IONIȚĂ, R. HANU CIMPOEȘU
• Year of publication: 2010
• Journal/academic society of publication: JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS Vol. 12, No. 2
• Keywords: shape memory effect, damping capacity, internal friction, storage modulus

2. Abstract:

A copper based shape memory alloy was obtained by classical melting method. Chemical analyze beside copper, zinc and aluminum reveal small amounts of other chemical elements like iron, lead or nickel that can improve the damping capacity of shape memory alloy. Starting from chemical composition the material was analyzed in deformed and tensioned state by microstructure (SEM), dilatometry (DIL) or calorimetry (DSC) and mechanical-dynamic (DMA) point of view. Results present a nice internal friction peak, in both cases, in transformation temperatures domain with possible practical applications.

3. Introduction:

Damping materials have many applications in amortization, energy dissipation, or even structures rehabilitation. High damping capacity is a crucial property for materials used in engineering structures to passively attenuate undesirable noise and vibration. Among high damping metallic materials, shape memory alloys (SMAs) are promising candidates due to their high damping capacity arising from the reversible martensitic phase transition (MT) and the stress-induced reorientation of martensite variants. This paper investigates the influence of factors like temperature, frequency, and strain amplitude on the damping capacity of a CuZnAl SMA, focusing on its potential for energy dissipation devices in civil and mechanical engineering.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

Shape memory alloys are known for their shape memory effect and superelasticity, but their high damping capacity is a relatively unexploited property with significant potential. The damping response is heavily influenced by micro-structural defects and the reversible martensitic transformation.

Status of previous research:

Previous research has explored SMA-based devices for passive structure control, such as braces and dampers, focusing on modeling, feasibility, and design optimization. The effects of temperature, frequency, and strain amplitude on damping have been systematically investigated.

Purpose of the study:

This study aims to analyze a CuZnAl shape memory alloy, obtained by classical melting, in its deformed and tensioned states. The primary goal is to understand how mechanical stress affects its microstructure, transformation temperatures, and, most importantly, its damping capacity (internal friction) for potential practical applications.

Core study:

The core of the study involves a comparative analysis of a CuZnAl alloy in two states: hot-forged (deformed) and 4% tensioned. The researchers used SEM, DIL, DSC, and DMA to characterize the material. The key focus was on measuring the internal friction (tan δ) and storage modulus (E') as a function of temperature to quantify the effect of stress on the alloy's damping performance and its associated phase transformation behavior.

5. Research Methodology

Research Design:

The study employed a comparative experimental design. A single batch of CuZnAl alloy was produced and then processed into two different states (deformed and tensioned). The properties of these two states were then systematically measured and compared to isolate the effect of stress.

Data Collection and Analysis Methods:

• Alloy Synthesis: Laboratory furnace with a graphite crucible.
• Chemical Analysis: Spark spectrometry (Foundry Master) and EDAX.
• Microstructure Observation: Scanning electron microscope (SEM) II LMH by Vega Tescan.
• Thermal Analysis: Dilatometer (DIL 402) and Differential Scanning Calorimetry (DSC).
• Dynamic Mechanical Analysis: DMA 242 C analyzer was used to measure internal friction and storage modulus at a frequency of 1 Hz over a temperature range of 303 to 573 K.

Research Topics and Scope:

The research is scoped to a specific copper-zinc-aluminum (CuZnAl) shape memory alloy. It investigates the influence of mechanical processing (forging) and subsequent static stress (tension) on the material's damping capacity, storage modulus, and martensitic transformation temperatures.

6. Key Results:

Key Results:

• The CuZnAl alloy exhibits a significant internal friction peak, indicating high damping capacity, within its martensitic transformation temperature range.
• In the deformed state, the internal friction peak (tan δ) was 0.11635 at a temperature of 362.7 K (Figure 4).
• Applying a 4% tension to the sample shifted the transformation temperature range to lower values (from 339-369 K to 313-350 K), as confirmed by DIL and DSC (Figure 3, Figure 5).
• In the tensioned state, the internal friction peak increased to 0.1607 and occurred at a lower temperature of 333.8 K (Figure 6).
• In both states, the storage modulus (E') showed a characteristic sharp decrease (softening) in the same temperature region as the internal friction peak, confirming the link between damping and phase transformation.

Figure Name List:

• Fig. 1 Summary of elongation-tension variation of the copper based material a) for forged and laminated states, b) laminated and c) forged with different heat treatments applied like recovered or water quenched.
• Fig. 2. SEM realized microstructure of shape memory alloy Cu54.9Zn26.5Al6.44; (a) deformed by forging state; (b) tensioned state.
• Fig. 3 Variations with temperature of relative thermal expansion (dL/ Lo with solid line), relative thermal expansion in time d(dL/Lo) dt) and thermal expansion coefficient (a), on the dilatometry recorded during heating to 600 K of a lamella cut from as-cast SMAS alloy Cu69.57Zn15.09Al5.35.
• Fig. 4. Internal friction tand, storage modulus E'and amortization modulus E'' variations with temperature.
• Fig. 5. DSC thermogram recorded during a heating cooling cycle up to 473 K of fragments cut from tensioned 4% sample of CuZnAl shape memory alloy.
• Fig. 6. Variation diagram of internal friction, tand and storage elasticity modulus E' of a shape memory alloy type Cu68,1 Zn13,2 Al4,85, with temperature first heating cycle being represented with black color, cooling with blue and second heating cycle with red.

7. Conclusion:

A CuZnAl shape memory alloy with good shape memory effect and excellent damping properties was successfully produced. Combined thermal and mechanical analysis revealed that the material exhibits a significant internal friction peak in its martensitic transformation range. Crucially, applying stress (tension) shifts this high-damping region to lower temperatures and increases the peak damping value. The storage modulus variation showed a contrary behavior to the internal friction, confirming their connection through a common cause (phase transformation). These findings demonstrate that mechanical stress can be used to tune the damping properties of the alloy for practical applications.

8. References:

• [1] J. V. Humbeeck, J. Alloys Comp. 355, 58 (2003).
• [2] J. San Juan, J. M. L. Nó, J. Alloys Comp. 355, 65 (2003).
• [3] M. Vogelsang, R. Arsenadet, R. Fisher, Metall. Mater. Trans., A Phys.Metall. Mater. Sci. 17, 379 (1986).
• [4] T. Christman, S. Suresh, Acta Metall. Mater. 36, 1691 (1988).
• [5] D. C. Dunand, A. Mortensen, Acta Metall. Mater. 39, 1405 (1991).
• [6] F. S. Shieu, S. L. Sass, Acta Metall. Mater. 39, 539 (1991).
• [7] F. Ddeborde, V. Pelosin, A. Rivi'ere, Scripta Mater. 33, 1993 (1995).
• [8] S. Golyandin, S. Kustov, K. Sapozhnikov, M. Parlinska, R. Gotthardt, J. van Humbeeck, J. Alloy Compd. 310, 312 (2000).
• [9] G. Song, N. Ma, H.-N. Li, Engineering Structures 28 1266 (2006).
• [10] G. Guenin, Memoire de forme et alliages cuivreux, Traitement thermique, 234, 21 (1990).
• [11] I. L. Pelegrina, M. Chandrasekaran, M. S. Andrade, Acta metall. 36, 1111 (1988).
• [12] W. De Jonghe, R. De Batist, L. Delaey, M. De Bonte, Internal Friction Measurements onCopper - Zinc Based Martensite, în " Shape Memory Effects in Alloys" - editată de Jeff Perkins. Plenum Press, New York - London, 1975.
• [13] N. Cimpoeşu, S. Stanciu, D. Achiței, V. Manole, R. Hanu Cimpoeșu, J. Optoelectron. Adv. Mater. -Symposia, 1(6), 1149 (2009).
• [14] E. Patoor, M. Berveiller (coordonnateurs), – Technologie des alliages à mémoire de forme. Comportement mécanique et mise en oeuvre, Hermès, Paris, 1994, ISBN 2-86601-426-X, 228.
• [15] S. H. Chang, S. K. Wu, Key Eng. Mater. 319, 9 (2006).
• [16] S. H. Chang, S. K. Wu, Scripta Mater. 55, 311 (2006).
• [17] S. H. Chang, S. K. Wu, J. Alloys Compd. 437, 120 (2007).
• [18] S. H. Chang, S. K. Wu, Mater. Sci. Eng. A 454-455 379 (2007).
• [19] N. Cimpoesu S. Stanciu, Shape memory alloys type CuZnAl and CuMnAl comparison of their energy dissipation capacity, Proceedings of International Conference Tehnomus XIV, 2009, Suceava.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구가 실제 산업 현장에서 왜 중요한가요? (Why is this research important for real-world industrial applications?) A1: 이 연구는 합금의 화학 성분 변경 없이, 단순한 기계적 가공(스트레스)만으로 재료의 핵심 기능인 '감쇠능'을 제어할 수 있음을 보여주기 때문입니다. 이는 특정 제품의 작동 온도에 맞춰 진동을 가장 효과적으로 흡수하도록 재료를 '튜닝'할 수 있다는 의미이며, 이는 맞춤형 고성능 부품 설계의 새로운 길을 엽니다. (연구 결론부 참조)

Q2: '감쇠능'이 높다는 것은 구체적으로 어떤 의미인가요? (What does "high damping capacity" mean specifically?) A2: 감쇠능은 진동과 같은 기계적 에너지를 열에너지로 소산시키는 재료의 능력을 의미합니다. 이 연구에서는 '내부 마찰(tan δ)' 값을 그 척도로 사용했습니다. 인장 상태의 합금은 0.1607이라는 높은 tan δ 피크 값을 보였는데, 이는 진동 에너지를 매우 효과적으로 흡수할 수 있음을 나타내는 구체적인 수치입니다. (Figure 6 및 본문 tan δ 정의 참조)

Q3: 재료에 가해진 스트레스(인장)가 어떻게 감쇠 특성을 변화시켰나요? (How did the stress (tension) applied to the material change its damping properties?) A3: 인장 스트레스는 합금 내부의 마르텐사이트 변형(variant)들의 재배향을 유도했습니다 (Figure 2). 이 미세구조적 변화는 마르텐사이트 상변태가 일어나는 온도를 더 낮은 쪽으로 이동시켰습니다. 높은 감쇠능을 나타내는 내부 마찰 피크는 이 상변태와 직접적으로 연관되어 있기 때문에, 변태 온도가 이동함에 따라 피크 위치도 함께 이동하고 그 크기 또한 증가하게 된 것입니다. (Figure 4와 Figure 6의 피크 위치 및 크기 비교 참조)

Q4: 저장 탄성률(E')이 감소하는 현상은 무엇을 의미하나요? (What does the decrease in storage modulus (E') signify?) A4: 저장 탄성률(재료의 강성)의 급격한 감소는 상변태가 일어나는 동안 재료가 일시적으로 '부드러워지는(softening)' 현상을 의미합니다. 이 현상은 높은 내부 마찰(감쇠)을 유발하는 메커니즘과 직접적으로 연결되어 있습니다. E' 값이 최소가 되는 지점은 tan δ 값이 최대가 되는 피크 지점과 거의 일치하며, 이는 두 현상이 동일한 원인(상변태)에서 비롯되었음을 보여줍니다. (Figure 4, Figure 6 참조)

Q5: 이 연구 결과를 HPDC 제품에 어떻게 적용할 수 있나요? (How can these findings be applied to HPDC products?) A5: 비록 이 연구는 단조 합금에 초점을 맞추었지만, 스트레스를 이용해 재료 특성을 제어한다는 원리는 HPDC 분야에도 매우 중요합니다. 첨단 합금으로 만들어진 HPDC 부품의 경우, 주조 후 처리 공정이나 주조 과정에서 발생하는 내부 응력을 제어함으로써 감쇠능과 같은 기능적 특성을 최적화할 수 있습니다. 이 연구는 그러한 현상을 탐구하고 제어하기 위한 중요한 이론적 틀을 제공합니다.

Conclusion & Next Steps

이 연구는 기계적 스트레스가 CuZnAl 형상기억합금의 감쇠 성능을 향상시키고, 그 성능이 최적화되는 온도 범위를 조절하는 강력한 도구임을 입증했습니다. 이 발견은 진동 및 소음 제어가 필수적인 다양한 산업 분야에서 고성능 부품을 설계하고 제조하는 데 있어 데이터 기반의 명확한 경로를 제시합니다.

저희 CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 실제 고객의 다이캐스팅 문제 해결에 적용하는 데 전념하고 있습니다. 본문에 논의된 문제들이 귀사의 운영 목표와 관련이 있다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 첨단 원리를 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있을지 논의해 보시기 바랍니다.

Copyright

• This material is a paper by "N. CIMPOEȘU, S. STANCIU, M. MAYER, I. IONIȚĂ, R. HANU CIMPOEȘU". Based on "Effect of stress on damping capacity of a shape memory alloy CuZnAl".
• Source of the paper: [https://joam.inoe.ro/arhiva/vol12n2.html] (Note: A direct DOI was not provided in the paper, so the journal issue link is used as a source reference.)

This material is for informational purposes only. Unauthorized commercial use is prohibited. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.