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特種合金
關(guān)鍵詞：SUS301L不銹鋼；輕量化；城軌車體；選材
SUS301L系列不銹鋼在輕量化城軌車體上的應(yīng)用
摘要：本文在綜合分析SUS301L系列不銹鋼主要特性的基礎(chǔ)上，提出了城軌車體的選材思路與原則，并結(jié)合城軌車輛的車體結(jié)構(gòu)特點和靜強度仿真結(jié)果，完成了某B型輕量化不銹鋼車體中主要零部件在該系列不銹鋼材料中的選用。
關(guān)鍵詞：SUS301L不銹鋼；輕量化；城軌車體；選材
0 前言
打造綠色軌道交通裝備已成為當(dāng)今社會的潛在要求，即在額定牽引功率下，盡可能降低能耗以實現(xiàn)運行的高運能和低成本。在1972年石油危機爆發(fā)后到能源愈發(fā)匱乏的今天，輕量化成為各種車體的優(yōu)先發(fā)展方向。
日系城軌車輛是車體輕量化的代表，與歐系車輛追求舒適、豪華而車體重量較大相比，它最大的特點是在追求實用、可靠的基礎(chǔ)上，盡可能減少自重。由于原有的不銹鋼板材不能很好滿足車體的強度及制造工藝等要求，嚴(yán)重影響了車體輕量化的發(fā)展。因此早在1956年，日本東急車輛株式會社和鋼企合作，開始自主研發(fā)車輛專用的不銹鋼材料，其中SUS301L系列不銹鋼已成為了國內(nèi)外城軌車體的主流材料之一。
本文分析了SUS301L不銹鋼的主要特性及相互關(guān)系，并以某B型輕量化不銹鋼車體的選材原則及靜強度分析為背景，完成車體中相關(guān)零部件在該系列不銹鋼中的選用。
1 SUS301L不銹鋼材料性能分析
適用于車體的不銹鋼材料應(yīng)具備四個條件：強度高、厚度小、焊接性能好、易冷加工。前兩者是車體輕量化的基本條件，后兩者是車體結(jié)構(gòu)加工成型的必要條件。SUS301L奧氏體不銹鋼作為車輛專用的不銹鋼材料，分析其各種材料特性、加工性能與車體結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，可以為車體通過選材進行輕量化提供理論基礎(chǔ)。
1.1化學(xué)成分與抗腐蝕性能
不銹鋼能在車體上得以廣泛應(yīng)用的前提是具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，這樣在設(shè)計車體結(jié)構(gòu)的板厚時，不再需要像耐候鋼那樣留有腐蝕余量。不銹鋼的抗腐蝕性，往往是由其化學(xué)成分決定的。
東急公司開發(fā)的第一代真正意義的全不銹鋼車體，使用的主要材料為SUS301不銹鋼，它是在SUS304不銹鋼的基礎(chǔ)開發(fā)出來的。該鋼通過降低Cr、Ni的含量，提高了加工硬化率，但同時碳含量沒有降低，而使得其耐晶間腐蝕能力有所下降。所以在第二代全不銹鋼車體上，SUS301不銹鋼又被SUS301L不銹鋼取代。它們的主要差異是后者通過降低C含量改善了焊接接頭的抗晶間腐蝕性，同時添加N元素來彌補C降低引起的強度不足。SUS301L不銹鋼材料的化學(xué)成分見表1 [1]。
表1 SUS301L不銹鋼的化學(xué)成分
材料 | 化學(xué)成分， % | ||||||||
Cr | Ni | C | Mn | P | S | Si | N | ||
SUS301L | Min | 16.00 | 6.00 | - | - | - | - | - | - |
Max | 18.00 | 8.00 | 0.03 | 2.00 | 0.045 | 0.030 | 1.00 | 0.20 | |
1.2 物理性能與可焊接性
在奧氏體、馬氏體和鐵素體這三種典型的不銹鋼中，奧氏體不銹鋼的焊接性能是最好的。不過它的焊接性能尤其是弧焊性能，與其它車體材料相比差距還很大，這主要是受以下兩點物理性能的制約：
1、熱膨脹系數(shù)大。不銹鋼材料的熱膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.5倍，使得焊接時同樣的熱量其變形比普通鋼材變形要大很多。
2、熱導(dǎo)率低，約為碳鋼的1/3。因此焊接產(chǎn)生的熱量不能很快地分散，大量的熱量聚集在焊縫區(qū)域。而不銹鋼中的奧氏體組織在高溫下具有不穩(wěn)定性，在500℃ ～800℃時，鋼材中Cr的碳化物會沿晶界析出，使得晶界附近因含Cr量下降而出現(xiàn)晶界腐蝕，同時屈服強度和抗拉強度會急劇下降[2]。
因此，車體外表面的SUS301L不銹鋼板要盡量避免使用電弧焊帶來外觀及抗腐蝕性能的損害，而普遍采用熱輸入量很小的點焊工藝。
1.3 形變強化與冷加工性能
SUS301L不銹鋼屬于穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，它經(jīng)過固溶熱處理后，在室溫下呈現(xiàn)單相奧氏體組織。單相奧氏體組織的不銹鋼本身具有高韌性和塑性，冷加工性能較好。但是其屈服強度和抗拉強度均不高，不能滿足車體上大部分承重骨架結(jié)構(gòu)的要求，須利用形變強化的方式來提高其強度，即通過多道冷壓延工序，使材料產(chǎn)生一定量的形變馬氏體而提高強度。
SUS301L不銹鋼中N含量較高，增加了奧氏體的穩(wěn)定性，具有較好的塑性和一定的后續(xù)成型能力。它的可壓延率較大，且可以通過控制壓延率的大小（0%～23%）來獲得LT、DLT、ST、MT、HT 等五種強度級別的材料。其主要機械性能參數(shù)范圍在標(biāo)準(zhǔn)[2]里有規(guī)定，具體見表2。
表 2 五種不同強度級別SUS301L不銹鋼的機械性能
材料 | 調(diào)質(zhì)代號 | 屈服強度 N/mm2 | 抗拉強度 N/mm2 | 伸長率 % |
SUS301L-LT | 215以上 | 550以上 | 45以上 | |
SUS301 L –DLT | 1/4H | 345以上 | 690以上 | 40以上 |
SUS301 L -ST | 1/2H | 410以上 | 552以上 | 35以上 |
SUS301 L -MT | 3/4H | 480以上 | 820以上 | 25以上 |
SUS301 L -HT | H | 685以上 | 930以上 | 20以上 |
在形變強化及后續(xù)冷加工成型過程中，奧氏體會不斷轉(zhuǎn)變成馬氏體，由于馬氏體硬而脆，它的含量增加在提高鋼的強度同時，會降低其塑性。這種現(xiàn)象會增大產(chǎn)品開裂的可能性，從而使不銹鋼板的加工總變形率限定在一定范圍之內(nèi)。強度級別越高的鋼板在形變強化過程中冷壓延率也越高，而在后續(xù)的冷彎、折彎等工藝中，其安全范圍內(nèi)的冷加工變形率會相應(yīng)減少。因而在城軌車體選用SUS301L不銹鋼板材時，除了要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強度和抗拉強度的下限外，還需另行規(guī)定其上限。其中規(guī)定下限是為了保證達(dá)到所要求的強度和剛度，而規(guī)定上限是為了設(shè)定一個強度的最大值以得到合適的后續(xù)冷加工性能。
1.4強度等級與適用范圍
五種不同強度級別的SUS301L不銹鋼材料，其化學(xué)成分和物理性能是一致的，顯著的區(qū)別在于形變強化過程中壓延率不同而產(chǎn)生的馬氏體含量不同，導(dǎo)致力學(xué)性能也有較大差異。而馬氏體組織的不銹鋼在電弧焊過程中強度會受影響，馬氏體越多，焊接性能越差。因此這些不同強度級別的不銹鋼，其適用的焊接和冷加工方式也不同，具體情況見下表3。
表3 五種強度級別的SUS301L不銹鋼適合的焊接方式和冷加工方式
機械性能 | 適用的焊接方式 | 適用的冷加工方式 | |
SUS301L-LT | 強度低，軋制后平面度好、延伸率大。
| 電弧焊加熱對其機械性能沒有影響，故點焊、電弧焊均可。 | 強度要求不高的部件沖壓、拉彎、折彎加工。 |
SUS301L-DLT | 強度較低，二次壓延率控制在3%～8%的范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力小，常溫蠕變較小，可保持良好的表面平直度。 | 電弧焊加熱對其機械性能沒有太大的影響，故點焊、電弧焊均可。 | 強度較低部件的折彎及拉延成型，尤其是不采用平整機進行壓延的加工。 |
SUS301L-ST | 強度適中，二次壓延率控制在6%～12%的范圍內(nèi)，壓延后表面平度較好。 | 材料加熱后強度降低不明顯，故以點焊為主，可以進行電弧焊。 | 適用于強度要求較高零部件的拉彎、或折彎加工后再拉彎加工。 |
SUS301L-MT | 二次壓延率控制在9%～17%的范圍內(nèi)，強度更高，但延伸率很低。 | 受熱后強度下降明顯，盡量避免使用電弧焊而使用點焊。 | 適用于要求高強度的復(fù)雜斷面板類通長零件的折彎和輥壓加工。 |
SUS301L–HT | 二次壓延率控制在20%～23%的范圍內(nèi)，強度最高但延伸率最低。 | 受熱后強度突然下降，盡量避免使用電弧焊而使用點焊。 | 適用高強度的復(fù)雜斷面梁類通長零件的冷彎工藝。 |
2車體的選材原則
2.1 車體材料的選用思路與原則
通過上面對SUS301L系列不銹鋼材料相關(guān)性能的分析，可推出輕量化城軌車體選擇材料的合理步驟：首先要考慮該零部件的形狀及尺寸規(guī)格，它能采取的加工方式限定了材料類型；然后考察它的焊接方式，比如密封性要求高的部位需要采用弧焊，這樣進一步限定了材料選擇范圍；最后在滿足車體的強度、剛度設(shè)計要求下對車體中各零部件的板厚進行優(yōu)化組合選用。選擇過程中尤其是在有幾種材料可選擇的情況下，須考慮以下三個原則：
1、適用性原則：選用材料的強度級別、焊接性能、可加工性及尺寸規(guī)格等，需滿足其零部件的使用性能及在各種工況中所承擔(dān)的載荷類型要求。
2、安全性原則：材料選用所需的數(shù)據(jù)，直接來自車體的強度及剛度的計算，所有結(jié)果應(yīng)符合國際、國家和行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對許應(yīng)力安全系數(shù)的規(guī)定。
3、經(jīng)濟性原則：在可以滿足使用性能的幾種材料中，選擇成本最低或加工最方便的材料。
2.2 材料許應(yīng)力安全系數(shù)的選取
車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，安全首先必須得到保證。但許應(yīng)力的安全系數(shù)并非越大越好，而是要綜合考慮經(jīng)濟性與安全性，有一個合理的取值。
日本標(biāo)準(zhǔn)JIS E 7105-2006<鐵道車輛車體結(jié)構(gòu)強度試驗方法》直接使用材料的屈服強度作為許用應(yīng)力，即安全系數(shù)取為1.0；歐洲規(guī)范EN12663-2000《鐵路應(yīng)用鐵路機車車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》要求許用應(yīng)力安全系數(shù)為1.15；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB／T 1335-1996《鐵道車輛強度計算及試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定客車車體許用應(yīng)力的安全系數(shù)為1.5；國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》對安全系數(shù)并無具體數(shù)值規(guī)定。
考慮到我們國產(chǎn)SUS301L不銹鋼在材質(zhì)、冷加工成型及焊接工藝水平方面與日本相比還有一定差距，出于安全性的考慮，在車體設(shè)計時應(yīng)該留有一定的安全裕量。因此我們設(shè)計的某B型輕量化不銹鋼車體選材時，確定不同工況下采用不同的安全系數(shù)，即兩種最惡劣的復(fù)合工況（壓縮800kN與超載工況和拉伸640kN與超載工況）下安全系數(shù)按取日本標(biāo)準(zhǔn)1.0，其它工況都按EN12663取1.15。
3 SUS301L不銹鋼在車體上的應(yīng)用
3.1 車體的結(jié)構(gòu)特點
不銹鋼車體采用的是薄壁筒形結(jié)構(gòu)，即由整個車體結(jié)構(gòu)承擔(dān)強度。一般直接承受載荷是底架邊梁及橫梁、側(cè)墻立柱、門立柱、車頂邊梁及彎梁等骨架，然后再傳遞到薄板上，形成外板+骨架的殼體承載結(jié)構(gòu)。可見結(jié)構(gòu)上主要載荷中的軸向力成分由柱、梁承擔(dān)，而剪切力成分則由外板、車頂板、地板等薄板承擔(dān)[3]。
車體骨架是車體強度和剛度的主要提供者，為滿足其剛度要求，需把板材或帶材加工成具有一定截面形狀的梁或柱狀結(jié)構(gòu)。車頂彎梁采用帽型材或乙型材，要經(jīng)折彎后再拉彎成型，故選擇SUS301L-ST；空調(diào)支撐梁也是帽型結(jié)構(gòu)，因密封性要求需與空調(diào)地板弧焊，故選擇焊接性能較好的SUS301L-LT；底架橫梁是槽鋼的結(jié)構(gòu)，需沖壓眾多孔結(jié)構(gòu)以安裝車下設(shè)備及布線，部分位置需弧焊連接，因此選擇強度不太高而焊接性能較好的SUS301L-DLT，但其厚度應(yīng)足夠大。
車體外板尤其是側(cè)墻板對表面的平整度要求很高，一般選擇殘余應(yīng)力小且材質(zhì)較軟的SUS301L-LT或SUS301L-DLT不銹鋼；波紋頂板和波紋地板需要足夠的剛度承載一定重量，但因減重需要其厚度一般只有0.6或0.8mm，因此專門開發(fā)了強度較高又適合輥壓加工的SUS301L-MT帶鋼。
3.2 車體的應(yīng)力分布狀態(tài)
車體靜強度分析估算出來的應(yīng)力狀態(tài)也是選擇材料的主要依據(jù)之一。不同工況下，車體各部件的應(yīng)力集中狀況也不同。如在超員狀態(tài)下（如圖1），車頂?shù)膫?cè)頂板、彎梁和側(cè)墻的門角、窗角應(yīng)力較大，其余部位應(yīng)力較小，而在拉伸640kN與超載復(fù)合工況下（如圖2），底架邊梁、波紋地板及波紋頂板處的應(yīng)力也迅速增加，甚至超過超員狀態(tài)下的應(yīng)力集中的部位。因此，選用材料時要確保在各個工況條件下都滿足車體的安全要求。
圖1 AW3工況下車體應(yīng)力云圖 圖2 AW3+640kN拉伸工況下車體應(yīng)力云圖
根據(jù)EN12663標(biāo)準(zhǔn)計算各種工況的結(jié)果，得出底架邊梁、車頂邊梁、車頂彎梁，側(cè)頂板、波紋地板、波紋頂板等部件所受的載荷應(yīng)力較大.從圖2中可看出，部分區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到了350 MPa以上，這些區(qū)域的零件須選擇SUS301L-ST及更高強度級別的材料。其中車頂邊梁和底架邊梁為車體通長結(jié)構(gòu)，受力分布不均，為達(dá)到減重效果和保證安全性，應(yīng)選擇SUS 301L-HT材料。要注意的是在這些應(yīng)力較高的部位，要盡量避免電弧焊對結(jié)構(gòu)的影響。
空調(diào)機組安裝座等部件應(yīng)力相對較小，且接口連接處要利用熔焊進行密封處理，其外板和骨架選擇SUS301L-LT或SUS301L-DLT不銹鋼比較合適。
3.3 SUS301L不銹鋼在車體上的具體應(yīng)用
某B型地鐵不銹鋼車體項目中，為了降低制造成本和提高工藝性，對焊接強度要求高的端部結(jié)構(gòu)采用普通碳鋼和耐候鋼，對強度要求不高的司機室骨架結(jié)構(gòu)采用適合折彎或沖壓成型的SUS304不銹鋼，其余結(jié)構(gòu)則都采用SUS301L不銹鋼。根據(jù)車體的結(jié)構(gòu)特點和選材原則，基本確定了各零部件具體材料，以下表格是此次設(shè)計的車體結(jié)構(gòu)主要零部件與SUS301L不銹鋼材料類型的對應(yīng)表。最后得到強度和剛度都滿足設(shè)計要求的帶司機室的車體重量為7.3噸，與傳統(tǒng)的碳鋼車體自重約9.5噸相比，自重減少了約23%，輕量化效果較明顯。
材料類型 | 車體主要零部件 |
SUS301L-LT | 空調(diào)縱橫梁、空調(diào)隔板、空調(diào)底板、空調(diào)支撐梁、空調(diào)連接板、上側(cè)墻板 |
SUS301L-DLT | 側(cè)墻板（中、下）、底架主橫梁 |
SUS301L-ST | 車頂彎梁、側(cè)頂板、空調(diào)連接梁、端墻角柱、端墻門檻 |
SUS301L-MT | 波紋頂板、波紋地板 |
SUS301L–HT | 側(cè)墻立柱、窗上、下橫梁、側(cè)墻下邊梁、門立柱、端墻立柱、底架邊梁、車頂邊梁、連接板補強板、端墻上門梁、端墻下邊梁 |
4 展望
SUS301L不銹鋼由于其優(yōu)異的綜合性能和產(chǎn)品的系列化，非常有利于城軌車輛車體輕量化設(shè)計。同時，為了獲得更高性能和低成本的產(chǎn)品，國內(nèi)外相關(guān)科研單位仍不斷進行開發(fā)探索。
目前開發(fā)的主要成果是在SUS301L不銹鋼基礎(chǔ)開發(fā)了高氮的SUS301LN不銹鋼，由于高含氮量使它具備高強度與高韌性，更適合冷加工成型[4]。國外已將它應(yīng)用于鐵道客車的生產(chǎn)，進一步提高了車輛的輕量化和免維修。
此外，利用脈沖激光和電腦輔助設(shè)計開發(fā)的彩色不銹鋼的制造技術(shù)，非常適合奧氏體不銹鋼，且費用低，色彩穩(wěn)定，能承受一般的模壓、拉延和彎曲等加工工序。這種技術(shù)若應(yīng)用到SUS301L不銹鋼中，能給不銹鋼車體外觀多樣化選擇帶來希望。
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