2024年9月7日发(作者：祢夜春)
块体非晶合金Ｚｒ５５ Ａ１１０ Ｎｉ５ Ｃｕ３０挤压工艺的试验研究
王茹燕，董湘怀，马智慧
（上海交通大学塑性成型＿Ｔ－程系，上海２０００３０）
摘 要：讨论了块体非晶合金Ｚｒ ＡＩ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区的挤压成型性能，通过对２种不同模具
结构方案的对比试验，采用横向分割型挤压凹模结构的模具设计能很好反映其挤压规律。块体非晶合金
挤压成型最大载荷随着挤压速度的增大而增大，同时，挤压成型表现出与块体非晶合金在过冷液相区单
轴压缩相同的变化趋势。
关键词：块体非晶合金；过冷液相区；挤压工艺；模具设计
中图分类号：ＴＧ ３７６．１ 文献标志码：Ａ
Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｂｕｌｋ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｌｌｏｙ Ｚｒ５５ ＡＩｌｏ Ｎｉｊ Ｃｕ３。
ＷＡＮＧ Ｒｕｙａｎ，ＤＯＮＧ Ｘｉａｎｇｈｕａｉ，ＭＡ Ｚｈｉｈｕｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｚｒｊ。Ａ１ｌ０ Ｎｉｊ Ｃｕ３。ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉ
ｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃａｎ ｈｅ ａ ｇｏｏｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ，
ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔＷＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｎｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—
ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ，Ｓｕｐｅｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ，Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ
块体非晶合金在室温下具有高强度、高硬度、高
耐磨性、高耐腐蚀性等优异的物理、化学和力学性能，
可以替代现有的高性能金属来制造装备的关键工作
零件口］，是一种具有应用前景的工程材料。近年来，
液相区，根据升温速度丁一１ Ｋ／ｓ的热分析（ＤＳＣ）曲
线表明，其玻璃转变起始温度Ｔｇ… 一６７３ Ｋ，玻璃转
变终了温度Ｔ 一６８８ Ｋ，晶化温度Ｔ 一７７４ Ｋ，则
过冷液相区温度区间的宽度为８６ Ｋ。在过冷液相
随着对非晶合金制备技术研究的深入，大块非晶合金
制备所需要的冷却速率有了明显的降低，块体非晶合
金制备试样的厚度可达到３０ ｍｍｌ＿２］，大大拓宽了非晶
合金可制备的零件范围。块体非晶在远低于玻璃转
变温度（ ）的温度和高的应变速率下，通常发生受单
一
区内变形时，等温条件下的块体非晶会发生结构驰
豫、晶化等相变过程，需要为塑性加工提供一个充足
的加工时间。因此，确定塑性加工温度为Ｔ一７０３
Ｋ，此时的可加工时间达到１ ｈ左右 ｊ。
１．２ 挤压试验模具结构设计
剪切带扩展机制所控制的非均匀形变Ｌ３ ；而非晶态
由于非晶合金的热膨胀系数比模具材料小ｌ＿６］，
若采用通常的整体式模具结构，在高温挤压成型过
程结束后容易发生成型件脱模困难。因此，本文将
整个模具设计为镶块式结构，并设计了２种不同的
凹模结构：１）纵向分模正挤压凹模结构，如图１ａ所
示；２）横向分模正挤压凹模结构，如图１ｂ所示。２
种模具结构方案的参数为：凹模直径为３．２ ｍｍ，挤
压凸模为平模结构，定径带长度为１ ｍｍ，模孔直径
为１．６ ｍｉｌｌ，挤压比为４，凹模人口角为４５。。
合金在过冷液态液相区间下，以一定应变速率进行塑
性变形时，呈现出粘性流体状态，在外力的作用下表
现出优异的超塑性性能 ］，可实现非晶合金的均匀变
形。因此，研究块体非晶合金在过冷液相区内的塑性
成型性能对于块体非晶合金的工程应用具有非常重
要的意义。挤压成型作为一种重要的塑性成型工艺，
既可以直接生产出高精度、性能优异的产品零件，又
可以作为塑性成型工艺的制坯工步。本文对块体非
晶合金Ｚｒｓ５ Ａｌ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区的挤压工艺进
行试验，研究采用不同成型模具结构、不同工艺参数
对挤压特性的影响规律。
１ 试验
１．１块体非晶合金Ｚｒ Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。挤压试验工艺
参数确定
ａ）纵向分模挤压模具示意图 ｂ）横向分模挤压模具示意图
块体非晶合金ｚ‰Ａｌ 。ＮｉｊＣｕ。。具有较宽的过冷
图１ 挤压成型模具结构示意图
《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期 ・８３・
１．３正挤压成型试验
导致凸凹模之间的间隙增加，有更多的坯料填充凸
采用的试验设备为带恒温箱的Ｉｎｓｔｒｏｎ一８０３２
电液伺服动态万能材料试验机，利用成型系统的数
据采集系统自动采集数据。由于非晶合金对于温度
非常敏感，除温箱的自带温度显示外，采用热电偶检
测温度，标定试验平台温度与加热炉显示之间的温
度差，使得成型温度数值更准确。试验过程为：加热
炉升至指定温度，保温３ ｍｉｎ，再将加热炉打开，迅
速将放好坯料的模具放入加热炉中，关闭炉门，当温
度达到指定试验温度后，保温５ ｍｉｎ，加载成型，达
凹模之间的间隙而形成纵向毛刺。横向分模挤压成
型方案中，坯料与挤压筒之间的摩擦力使挤压筒在
整个挤压过程中始终压紧挤压凹模，具有消除横向
间隙的作用。挤压筒与挤压凹模之间的毛刺比较
小，虽然挤压凸模与挤压筒之间也有配合间隙，但形
成的纵向毛刺与纵向分模挤压方案相比，毛刺高度
小很多。
由图３ａ可以看到，纵向分模挤压的载荷由于间
隙的巨大影响而显现出不断增加的趋势。由图３ｂ
可以看到，横向分模挤压的载荷则可以分为２个阶
段，Ｉ为坯料填充挤压凹模锥形部分阶段，Ⅱ为坯料
到设定行程后停止试验，将模具取出使其在空气中
冷却。
试验选择的挤压速率为１×１０ ｍｍ／ｓ、２×
稳定挤出凹模口阶段。在阶段Ｉ，载荷不断上升，且
挤压速度越大载荷增加越快。在阶段Ⅱ，对于低挤
１０ ｍｍ／ｓ、３×１０ ｍｍ／ｓ。其对应的平均应变速率
为２．６×１０一。Ｓ 、５．２×１０。Ｓ 、７．８×１０。Ｓ ［ 。
压速度（１×１０ ｍｍ／ｓ）成型，载荷进入稳定阶段，当
挤压速度增大时，载荷出现先增加后减小然后稳定
的现象，挤压速度为３×１０ ｍｍ／ｓ的时候这种现
选择坯料为铜模铸造得到的Ｚｒ５５Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。非晶合
金棒材，尺寸为ｊ５３．２ ｍｍ×４ ｍｍ，两端面抛光并保
证互相平行。
象尤其突出。这与块体非晶合金Ｚ‰Ａｌ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在
过冷液相区的应力一应变曲线的变化趋势相同，即在
低应变速率的变形条件下，非晶合金表现出特有的
２结果与讨论
采用不同挤压成型方案得到的成型件ＳＥＭ图
见图２，得到的行程一载荷曲线见图３。由图２可以
看到，采用组合式的模具结构，在成型过程中坯料填
充间隙和成型件都产生了不同程度的飞边。
牛顿粘滞流动，流动应力经过弹性变形后直接到达
稳态塑性变形区域阶段，当应变速率高时，合金在变
形初始阶段出现应力峰值现象（Ｓｔｒｅｓｓ ｏｖｅｒｓｈｏｔ），
达到应力峰值后流变应力降低，并进入平缓的稳态
塑性流动。
根据Ｓｐａｅｐｅｎ提出的自由体积模型，由于非晶
相中不存在宏观晶体材料所具有的晶界和位错结
构，其变形的微观机理在于由应力驱动生产与扩散
淹没自由体积达到动态平衡的结构无序Ｌ８］。在外力
Ｉ）纵向分模挤压方案 ｂ）横向分模挤压方案
的作用下，自由体积周围的原子沿着受力的方向移
动，在宏观上产生了常温时所不能出现的低应力流
变行为，即过冷液态的大块非晶合金在低应变速率
图２ 不同挤压成型方案的成型件ＳＥＭ图
下的牛顿粘滞流动。但随着外力的增加，应变速率
增加，变形需要更多的自由体积参与，原子跃迁所需
的自由体积增大，要消耗的运动激活能也增加，当温
度保持不变，热激活能无法满足能量需要时，则表现
冲头行程Ｓ／ａｍ ｒ
０．０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３ ５
为应力增加，内部组织结构处于一种非平衡状态，当
这种非平衡状态在内部原子结构的重排之后又达到
另一种平衡态，表现为流动应力下降。
冲头行程Ｓ／ｍｍ
ａ１纵向分模挤压方案
ｂ１横向分模挤压方案
图３不同冲头速度的载荷一行程曲线
相比横向分模结构的成型方案，采用纵向分模
结构方案得到的成型件，其纵向飞边比较多。随着
挤压行程的增加，坯料不断流入纵向问隙，坯料在完
３结语
块体非晶合金Ｚ％Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区具
有优异的塑性成型性能，通过纵向分模挤压方案和
横向分模挤压方案挤压成型的比较发现，横向分模
挤压方案在挤压成型过程中，模具结构本身具有消
除间隙的作用，坯料的流动主要是坯料在挤压带内
成挤压变形的过程中同时填充凹模之问的间隙，导
致凹模之间的间隙增大，最终达到凹模与凹模套筒
之间的最大配合间隙。由于凹模间间隙的增加，又
・
８４・ 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期
自调温相变服装的研究及应用进展
刘太奇，陈 曦，于建香，王 茜，程竹杰，孙苗苗
（北京石油化工学院环境材料研究中心，北京１０２６１７）
摘 要：介绍了自调温相变服装用相变材料的种类，阐述了相变材料在服装中的添加工艺及制备方
法。综述了相变材料在国内外调温服装中的应用现状，展望了自调温相变服装的开发前景。
关键词：自调温；相变材料；服装
中图分类号：ＴＱ ２ 文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｃｌｏｔｈｅｓ
ＬＩＵ Ｔａｉｑｉ，ＣＨＥＮ Ｘｉ，ＹＵ Ｊｉａｎｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｉａｎ，ＣＨＥＮＧ Ｚｈｕｊｉｅ，ＳＵＮ Ｍｉａｏｍｉａｏ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｃｏ—ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２６１７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎ
ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ；ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｉｔｌｅｄ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ，Ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｌｏｔｈｅｓ
热负荷是长时问在高温环境下 作人员的主要 者开发了多种纤维织物。但传统纤维均只有单向温
问题，如消防人员、排爆部队、紧急救援等，针对热负
度调节功能，即只能提高保温效果，或在一定程度上
荷的保护服被称为冷却服；相反，冷负荷是许多低温
降低服内温度，却不能根据环境变化自动调节服装
环境工作人员的常见问题，如冷藏库作业人员、潜水
内部温度，因此开发新型的具有自调温的智能服装
员、寒冷地区搜救人员等，而针对冷负荷的保护服被
有深远意义。
称为保暖服。为了适应这些特殊要求，国内外研究 相变储能材料是利用某些物质在相转变过程中
石＼ ； 矗 ； ； ＼ 石＼ ＼ ＼ ＼ ； ； ｅ ＼ ＼！ 石＼ 写 ０ ＼ ＝＼
的流动，毛刺形成较小，也反映了非晶合金挤压变形
［３］谌祺，柳林．锆基块体非晶及非晶基复合材料在过冷液
的规律，表明挤压变形的成型一载荷曲线趋势与其在
相区的形变行为［Ｊ］．中国科学，２００８，３８（４）：４７１—４７６．
过冷液相区的应力一应变曲线的变化趋势相同。在
Ｅ４］Ｓｈｅｎ Ｊ，Ｗａｎｇ Ｇ，Ｓｕｎ Ｊ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
较低挤压速率下，挤压力随着变形的增加而增加到
ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｚｒ４ｌ ２ｊ Ｔｉ１ ３ ７５ Ｎｉ１。Ｃｕ１２ ５ Ｂｅ２２ ５ ｂｕｌｋ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ ｉｎ
稳定值；在高挤压速率下，随着变形的增加，挤压力
ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ，２００５，１３
（１）：７９ ８５．
增大到峰值后逐渐下降，最后达到稳定值，即出现所
［５］王燕，董湘怀，马智慧．大块非晶合金ｚ Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在
谓的载荷峰值现象，这一现象可以通过Ｓｐａｅｐｅｎ提
过冷液相区中的性能［Ｊ］．新技术新工艺，２００７（１】）：７０—７３．
出的自由体积模型来解释其微观变形机制。同时，
［６］张志豪．大块非晶合金超塑性成型技术的基础研究
挤压速率越大，挤压力的稳定值也越大。后续的试
［Ｄ］．北京：北京科技大学博士学位论文，２００５．
验可以在横向分模挤压方案的基础上继续改进模具
［７］Ｋａｗａｍａｕｒａ Ｙ，Ｓｈｉｂａｔａ Ｔ，Ｉｎｏｕｅ Ａ，ｅｔａ１．Ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
结构，进一步减小由于挤压筒与挤压凹模之间间隙
ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｚｒ６ ５ Ａ１１ｏ Ｎｉ１ｏ Ｃｕ１ ５ Ｂｕｌｋ Ｍｅｔａｌｌｉｃ
而形成的横向毛刺以及由于挤压凸模与挤压凹模之
Ｇｌａｓｓ［Ｊ］．Ａｅｔａ ｍａｔｅｒ，１９９８，４６（１）：２５３ ２６３．
间的配合间隙而形成的纵向毛刺，并研究不同成型
［８２ Ｓｐａｅｐｅｎ Ｆ．Ａ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙ ｓｔａｔｅ ｉｎ—
参数对非晶合金挤压工艺的成型规律，使得成型在
ｈｏｍｇｅｎｅｓｏｕｓ ｆｌｏｗ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓｅｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉ—
牛顿粘滞流动变形区域进行。
ｃａ，１９９７，２５（４）：４０７—４１５．
＊国家自然科学基金资助项目（批准号：５０８３５０Ｏ２和
参考文献
５０９７５１７４）
［１］Ｉｎｏｕｅ Ａ．Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄ
作者简介：王茹燕（１９８４一），女，硕士研究生，主要从事非晶塑
ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２０００，４８（１）：
性成型方面研究。
２７９—３Ｏ６．
收稿日期：２０１０年１月２１日
Ｅ２２ Ｉｎｏｕｅ Ａ，Ｚｈａｎｇ Ｔ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｌｋ ｇｌａｓｓｙ Ｚｒ５５ Ａ１１０
Ｎｉ５ Ｃｕ３ｏ ａｌｌｏｙ ｏｆ ３０ ｍｍ ｉｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｂｙ ａ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ
责任编辑王亚昆
ｍｅｔｈｏｄ ｒ门．Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ＩＩＭ，１９９６，３７（２）：１８５—１８７．
《新技术新工艺 ・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期 ・８５・
2024年9月7日发(作者：祢夜春)
块体非晶合金Ｚｒ５５ Ａ１１０ Ｎｉ５ Ｃｕ３０挤压工艺的试验研究
王茹燕，董湘怀，马智慧
（上海交通大学塑性成型＿Ｔ－程系，上海２０００３０）
摘 要：讨论了块体非晶合金Ｚｒ ＡＩ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区的挤压成型性能，通过对２种不同模具
结构方案的对比试验，采用横向分割型挤压凹模结构的模具设计能很好反映其挤压规律。块体非晶合金
挤压成型最大载荷随着挤压速度的增大而增大，同时，挤压成型表现出与块体非晶合金在过冷液相区单
轴压缩相同的变化趋势。
关键词：块体非晶合金；过冷液相区；挤压工艺；模具设计
中图分类号：ＴＧ ３７６．１ 文献标志码：Ａ
Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｂｕｌｋ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｌｌｏｙ Ｚｒ５５ ＡＩｌｏ Ｎｉｊ Ｃｕ３。
ＷＡＮＧ Ｒｕｙａｎ，ＤＯＮＧ Ｘｉａｎｇｈｕａｉ，ＭＡ Ｚｈｉｈｕｉ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｚｒｊ。Ａ１ｌ０ Ｎｉｊ Ｃｕ３。ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉ
ｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃａｎ ｈｅ ａ ｇｏｏｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ，
ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔＷＯ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｌａｎｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ—
ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ，Ｓｕｐｅｒ—ｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ，Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ
块体非晶合金在室温下具有高强度、高硬度、高
耐磨性、高耐腐蚀性等优异的物理、化学和力学性能，
可以替代现有的高性能金属来制造装备的关键工作
零件口］，是一种具有应用前景的工程材料。近年来，
液相区，根据升温速度丁一１ Ｋ／ｓ的热分析（ＤＳＣ）曲
线表明，其玻璃转变起始温度Ｔｇ… 一６７３ Ｋ，玻璃转
变终了温度Ｔ 一６８８ Ｋ，晶化温度Ｔ 一７７４ Ｋ，则
过冷液相区温度区间的宽度为８６ Ｋ。在过冷液相
随着对非晶合金制备技术研究的深入，大块非晶合金
制备所需要的冷却速率有了明显的降低，块体非晶合
金制备试样的厚度可达到３０ ｍｍｌ＿２］，大大拓宽了非晶
合金可制备的零件范围。块体非晶在远低于玻璃转
变温度（ ）的温度和高的应变速率下，通常发生受单
一
区内变形时，等温条件下的块体非晶会发生结构驰
豫、晶化等相变过程，需要为塑性加工提供一个充足
的加工时间。因此，确定塑性加工温度为Ｔ一７０３
Ｋ，此时的可加工时间达到１ ｈ左右 ｊ。
１．２ 挤压试验模具结构设计
剪切带扩展机制所控制的非均匀形变Ｌ３ ；而非晶态
由于非晶合金的热膨胀系数比模具材料小ｌ＿６］，
若采用通常的整体式模具结构，在高温挤压成型过
程结束后容易发生成型件脱模困难。因此，本文将
整个模具设计为镶块式结构，并设计了２种不同的
凹模结构：１）纵向分模正挤压凹模结构，如图１ａ所
示；２）横向分模正挤压凹模结构，如图１ｂ所示。２
种模具结构方案的参数为：凹模直径为３．２ ｍｍ，挤
压凸模为平模结构，定径带长度为１ ｍｍ，模孔直径
为１．６ ｍｉｌｌ，挤压比为４，凹模人口角为４５。。
合金在过冷液态液相区间下，以一定应变速率进行塑
性变形时，呈现出粘性流体状态，在外力的作用下表
现出优异的超塑性性能 ］，可实现非晶合金的均匀变
形。因此，研究块体非晶合金在过冷液相区内的塑性
成型性能对于块体非晶合金的工程应用具有非常重
要的意义。挤压成型作为一种重要的塑性成型工艺，
既可以直接生产出高精度、性能优异的产品零件，又
可以作为塑性成型工艺的制坯工步。本文对块体非
晶合金Ｚｒｓ５ Ａｌ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区的挤压工艺进
行试验，研究采用不同成型模具结构、不同工艺参数
对挤压特性的影响规律。
１ 试验
１．１块体非晶合金Ｚｒ Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。挤压试验工艺
参数确定
ａ）纵向分模挤压模具示意图 ｂ）横向分模挤压模具示意图
块体非晶合金ｚ‰Ａｌ 。ＮｉｊＣｕ。。具有较宽的过冷
图１ 挤压成型模具结构示意图
《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期 ・８３・
１．３正挤压成型试验
导致凸凹模之间的间隙增加，有更多的坯料填充凸
采用的试验设备为带恒温箱的Ｉｎｓｔｒｏｎ一８０３２
电液伺服动态万能材料试验机，利用成型系统的数
据采集系统自动采集数据。由于非晶合金对于温度
非常敏感，除温箱的自带温度显示外，采用热电偶检
测温度，标定试验平台温度与加热炉显示之间的温
度差，使得成型温度数值更准确。试验过程为：加热
炉升至指定温度，保温３ ｍｉｎ，再将加热炉打开，迅
速将放好坯料的模具放入加热炉中，关闭炉门，当温
度达到指定试验温度后，保温５ ｍｉｎ，加载成型，达
凹模之间的间隙而形成纵向毛刺。横向分模挤压成
型方案中，坯料与挤压筒之间的摩擦力使挤压筒在
整个挤压过程中始终压紧挤压凹模，具有消除横向
间隙的作用。挤压筒与挤压凹模之间的毛刺比较
小，虽然挤压凸模与挤压筒之间也有配合间隙，但形
成的纵向毛刺与纵向分模挤压方案相比，毛刺高度
小很多。
由图３ａ可以看到，纵向分模挤压的载荷由于间
隙的巨大影响而显现出不断增加的趋势。由图３ｂ
可以看到，横向分模挤压的载荷则可以分为２个阶
段，Ｉ为坯料填充挤压凹模锥形部分阶段，Ⅱ为坯料
到设定行程后停止试验，将模具取出使其在空气中
冷却。
试验选择的挤压速率为１×１０ ｍｍ／ｓ、２×
稳定挤出凹模口阶段。在阶段Ｉ，载荷不断上升，且
挤压速度越大载荷增加越快。在阶段Ⅱ，对于低挤
１０ ｍｍ／ｓ、３×１０ ｍｍ／ｓ。其对应的平均应变速率
为２．６×１０一。Ｓ 、５．２×１０。Ｓ 、７．８×１０。Ｓ ［ 。
压速度（１×１０ ｍｍ／ｓ）成型，载荷进入稳定阶段，当
挤压速度增大时，载荷出现先增加后减小然后稳定
的现象，挤压速度为３×１０ ｍｍ／ｓ的时候这种现
选择坯料为铜模铸造得到的Ｚｒ５５Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。非晶合
金棒材，尺寸为ｊ５３．２ ｍｍ×４ ｍｍ，两端面抛光并保
证互相平行。
象尤其突出。这与块体非晶合金Ｚ‰Ａｌ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在
过冷液相区的应力一应变曲线的变化趋势相同，即在
低应变速率的变形条件下，非晶合金表现出特有的
２结果与讨论
采用不同挤压成型方案得到的成型件ＳＥＭ图
见图２，得到的行程一载荷曲线见图３。由图２可以
看到，采用组合式的模具结构，在成型过程中坯料填
充间隙和成型件都产生了不同程度的飞边。
牛顿粘滞流动，流动应力经过弹性变形后直接到达
稳态塑性变形区域阶段，当应变速率高时，合金在变
形初始阶段出现应力峰值现象（Ｓｔｒｅｓｓ ｏｖｅｒｓｈｏｔ），
达到应力峰值后流变应力降低，并进入平缓的稳态
塑性流动。
根据Ｓｐａｅｐｅｎ提出的自由体积模型，由于非晶
相中不存在宏观晶体材料所具有的晶界和位错结
构，其变形的微观机理在于由应力驱动生产与扩散
淹没自由体积达到动态平衡的结构无序Ｌ８］。在外力
Ｉ）纵向分模挤压方案 ｂ）横向分模挤压方案
的作用下，自由体积周围的原子沿着受力的方向移
动，在宏观上产生了常温时所不能出现的低应力流
变行为，即过冷液态的大块非晶合金在低应变速率
图２ 不同挤压成型方案的成型件ＳＥＭ图
下的牛顿粘滞流动。但随着外力的增加，应变速率
增加，变形需要更多的自由体积参与，原子跃迁所需
的自由体积增大，要消耗的运动激活能也增加，当温
度保持不变，热激活能无法满足能量需要时，则表现
冲头行程Ｓ／ａｍ ｒ
０．０ ０．５ １．０ １．５ ２．０ ２．５ ３．０ ３ ５
为应力增加，内部组织结构处于一种非平衡状态，当
这种非平衡状态在内部原子结构的重排之后又达到
另一种平衡态，表现为流动应力下降。
冲头行程Ｓ／ｍｍ
ａ１纵向分模挤压方案
ｂ１横向分模挤压方案
图３不同冲头速度的载荷一行程曲线
相比横向分模结构的成型方案，采用纵向分模
结构方案得到的成型件，其纵向飞边比较多。随着
挤压行程的增加，坯料不断流入纵向问隙，坯料在完
３结语
块体非晶合金Ｚ％Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在过冷液相区具
有优异的塑性成型性能，通过纵向分模挤压方案和
横向分模挤压方案挤压成型的比较发现，横向分模
挤压方案在挤压成型过程中，模具结构本身具有消
除间隙的作用，坯料的流动主要是坯料在挤压带内
成挤压变形的过程中同时填充凹模之问的间隙，导
致凹模之间的间隙增大，最终达到凹模与凹模套筒
之间的最大配合间隙。由于凹模间间隙的增加，又
・
８４・ 《新技术新工艺》・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期
自调温相变服装的研究及应用进展
刘太奇，陈 曦，于建香，王 茜，程竹杰，孙苗苗
（北京石油化工学院环境材料研究中心，北京１０２６１７）
摘 要：介绍了自调温相变服装用相变材料的种类，阐述了相变材料在服装中的添加工艺及制备方
法。综述了相变材料在国内外调温服装中的应用现状，展望了自调温相变服装的开发前景。
关键词：自调温；相变材料；服装
中图分类号：ＴＱ ２ 文献标志码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｃｌｏｔｈｅｓ
ＬＩＵ Ｔａｉｑｉ，ＣＨＥＮ Ｘｉ，ＹＵ Ｊｉａｎｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｑｉａｎ，ＣＨＥＮＧ Ｚｈｕｊｉｅ，ＳＵＮ Ｍｉａｏｍｉａｏ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｃｏ—ｍａｔｅｒｉａｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２６１７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎ
ｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ；ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｉｔｌｅｄ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｃｌｏｔｈｅｓ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ａｄｊ ｕｓｔｉｎｇ，Ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｃｌｏｔｈｅｓ
热负荷是长时问在高温环境下 作人员的主要 者开发了多种纤维织物。但传统纤维均只有单向温
问题，如消防人员、排爆部队、紧急救援等，针对热负
度调节功能，即只能提高保温效果，或在一定程度上
荷的保护服被称为冷却服；相反，冷负荷是许多低温
降低服内温度，却不能根据环境变化自动调节服装
环境工作人员的常见问题，如冷藏库作业人员、潜水
内部温度，因此开发新型的具有自调温的智能服装
员、寒冷地区搜救人员等，而针对冷负荷的保护服被
有深远意义。
称为保暖服。为了适应这些特殊要求，国内外研究 相变储能材料是利用某些物质在相转变过程中
石＼ ； 矗 ； ； ＼ 石＼ ＼ ＼ ＼ ； ； ｅ ＼ ＼！ 石＼ 写 ０ ＼ ＝＼
的流动，毛刺形成较小，也反映了非晶合金挤压变形
［３］谌祺，柳林．锆基块体非晶及非晶基复合材料在过冷液
的规律，表明挤压变形的成型一载荷曲线趋势与其在
相区的形变行为［Ｊ］．中国科学，２００８，３８（４）：４７１—４７６．
过冷液相区的应力一应变曲线的变化趋势相同。在
Ｅ４］Ｓｈｅｎ Ｊ，Ｗａｎｇ Ｇ，Ｓｕｎ Ｊ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
较低挤压速率下，挤压力随着变形的增加而增加到
ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｚｒ４ｌ ２ｊ Ｔｉ１ ３ ７５ Ｎｉ１。Ｃｕ１２ ５ Ｂｅ２２ ５ ｂｕｌｋ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓ ｉｎ
稳定值；在高挤压速率下，随着变形的增加，挤压力
ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ，２００５，１３
（１）：７９ ８５．
增大到峰值后逐渐下降，最后达到稳定值，即出现所
［５］王燕，董湘怀，马智慧．大块非晶合金ｚ Ａ１ 。Ｎｉ Ｃｕ。。在
谓的载荷峰值现象，这一现象可以通过Ｓｐａｅｐｅｎ提
过冷液相区中的性能［Ｊ］．新技术新工艺，２００７（１】）：７０—７３．
出的自由体积模型来解释其微观变形机制。同时，
［６］张志豪．大块非晶合金超塑性成型技术的基础研究
挤压速率越大，挤压力的稳定值也越大。后续的试
［Ｄ］．北京：北京科技大学博士学位论文，２００５．
验可以在横向分模挤压方案的基础上继续改进模具
［７］Ｋａｗａｍａｕｒａ Ｙ，Ｓｈｉｂａｔａ Ｔ，Ｉｎｏｕｅ Ａ，ｅｔａ１．Ｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
结构，进一步减小由于挤压筒与挤压凹模之间间隙
ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｚｒ６ ５ Ａ１１ｏ Ｎｉ１ｏ Ｃｕ１ ５ Ｂｕｌｋ Ｍｅｔａｌｌｉｃ
而形成的横向毛刺以及由于挤压凸模与挤压凹模之
Ｇｌａｓｓ［Ｊ］．Ａｅｔａ ｍａｔｅｒ，１９９８，４６（１）：２５３ ２６３．
间的配合间隙而形成的纵向毛刺，并研究不同成型
［８２ Ｓｐａｅｐｅｎ Ｆ．Ａ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙ ｓｔａｔｅ ｉｎ—
参数对非晶合金挤压工艺的成型规律，使得成型在
ｈｏｍｇｅｎｅｓｏｕｓ ｆｌｏｗ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｇｌａｓｓｅｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉ—
牛顿粘滞流动变形区域进行。
ｃａ，１９９７，２５（４）：４０７—４１５．
＊国家自然科学基金资助项目（批准号：５０８３５０Ｏ２和
参考文献
５０９７５１７４）
［１］Ｉｎｏｕｅ Ａ．Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄ
作者简介：王茹燕（１９８４一），女，硕士研究生，主要从事非晶塑
ｂｕｌｋ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２０００，４８（１）：
性成型方面研究。
２７９—３Ｏ６．
收稿日期：２０１０年１月２１日
Ｅ２２ Ｉｎｏｕｅ Ａ，Ｚｈａｎｇ Ｔ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｌｋ ｇｌａｓｓｙ Ｚｒ５５ Ａ１１０
Ｎｉ５ Ｃｕ３ｏ ａｌｌｏｙ ｏｆ ３０ ｍｍ ｉｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｂｙ ａ ｓｕｃｔｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ
责任编辑王亚昆
ｍｅｔｈｏｄ ｒ门．Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，ＩＩＭ，１９９６，３７（２）：１８５—１８７．
《新技术新工艺 ・热加工工艺技术与材料研究 ２０１０年 第６期 ・８５・