SUSL系列不銹鋼在輕量化城軌車輛車體上的應(yīng)用

1、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(diǎn)和靜強(qiáng)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(huì)的潛在要求，即在額定牽引功率下，盡可能降低能耗以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的高運(yùn)能和低成本。在1972年石油危機(jī)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(diǎn)是在追

2、求實(shí)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(qiáng)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(huì)社和鋼企合作，開(kāi)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(guó)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(qiáng)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(gè)條件：強(qiáng)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

3、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(guò)選材進(jìn)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(jì)車體結(jié)構(gòu)的板厚時(shí)，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(kāi)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(kāi)發(fā)出來(lái)的。該鋼通過(guò)降低Cr、Ni的含量，提高了加工硬化率，但同時(shí)碳含量沒(méi)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，S

4、US301不銹鋼又被SUS301L不銹鋼取代。它們的主要差異是后者通過(guò)降低C含量改善了焊接接頭的抗晶間腐蝕性，同時(shí)添加N元素來(lái)彌補(bǔ)C降低引起的強(qiáng)度不足。SUS301L不銹鋼材料的化學(xué)成分見(jiàn)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 NSUS301LMin16.006.00-Max18.008.000.032.000.0450.0301.000.20 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(guò)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(diǎn)物理性能

5、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(shí)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(shí)，鋼材中Cr的碳化物會(huì)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(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)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(lái)外觀及抗腐蝕性能的損害，而普遍采用熱輸入量很小的點(diǎn)焊工藝。1.3 形變強(qiáng)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(guò)固溶熱處理后，在室

6、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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)化的方式來(lái)提高其強(qiáng)度，即通過(guò)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(qiáng)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(guò)控制壓延率的大?。?%23%）來(lái)獲得LT、DLT、ST、MT、HT 等五種強(qiáng)度級(jí)別的材料。其主要機(jī)械性能參數(shù)范圍在標(biāo)準(zhǔn)2里有規(guī)定，具體見(jiàn)表2。表 2 五種不同強(qiáng)度級(jí)別SUS301L不銹鋼的機(jī)械性能材料調(diào)質(zhì)代號(hào)屈服強(qiáng)度N/mm2抗

7、拉強(qiáng)度N/mm2伸長(zhǎng)率%SUS301L-LT215以上550以上45以上SUS301 L DLT1/4H345以上690以上40以上SUS301 L -ST1/2H410以上552以上35以上SUS301 L -MT3/4H480以上820以上25以上SUS301 L -HTH685以上930以上20以上在形變強(qiáng)化及后續(xù)冷加工成型過(guò)程中，奧氏體會(huì)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(qiáng)度同時(shí)，會(huì)降低其塑性。這種現(xiàn)象會(huì)增大產(chǎn)品開(kāi)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(qiáng)度級(jí)別越高的鋼板在形變強(qiáng)化過(guò)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

8、內(nèi)的冷加工變形率會(huì)相應(yīng)減少。因而在城軌車體選用SUS301L不銹鋼板材時(shí)，除了要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和剛度，而規(guī)定上限是為了設(shè)定一個(gè)強(qiáng)度的最大值以得到合適的后續(xù)冷加工性能。1.4強(qiáng)度等級(jí)與適用范圍五種不同強(qiáng)度級(jí)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(qiáng)化過(guò)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(guò)程中強(qiáng)度會(huì)受影響，馬氏體越多，焊接性能越差。因此這些不同強(qiáng)度級(jí)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(jiàn)下表3。表3 五

9、種強(qiáng)度級(jí)別的SUS301L不銹鋼適合的焊接方式和冷加工方式材料類型機(jī)械性能適用的焊接方式適用的冷加工方式SUS301L-LT強(qiáng)度低，軋制后平面度好、延伸率大。電弧焊加熱對(duì)其機(jī)械性能沒(méi)有影響，故點(diǎn)焊、電弧焊均可。強(qiáng)度要求不高的部件沖壓、拉彎、折彎加工。SUS301L-DLT強(qiáng)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(duì)其機(jī)械性能沒(méi)有太大的影響，故點(diǎn)焊、電弧焊均可。強(qiáng)度較低部件的折彎及拉延成型，尤其是不采用平整機(jī)進(jìn)行壓延的加工。SUS301L-ST強(qiáng)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(qiáng)度降低不明顯，

10、故以點(diǎn)焊為主，可以進(jìn)行電弧焊。適用于強(qiáng)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(qiáng)度更高，但延伸率很低。受熱后強(qiáng)度下降明顯，盡量避免使用電弧焊而使用點(diǎn)焊。適用于要求高強(qiáng)度的復(fù)雜斷面板類通長(zhǎng)零件的折彎和輥壓加工。SUS301LHT二次壓延率控制在20%23%的范圍內(nèi)，強(qiáng)度最高但延伸率最低。受熱后強(qiáng)度突然下降，盡量避免使用電弧焊而使用點(diǎn)焊。適用高強(qiáng)度的復(fù)雜斷面梁類通長(zhǎng)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(guò)上面對(duì)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

11、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(jìn)一步限定了材料選擇范圍；最后在滿足車體的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要求下對(duì)車體中各零部件的板厚進(jìn)行優(yōu)化組合選用。選擇過(guò)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(gè)原則：1、適用性原則：選用材料的強(qiáng)度級(jí)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(lái)自車體的強(qiáng)度及剛度的計(jì)算，所有結(jié)果應(yīng)符合國(guó)際、國(guó)家和行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)許應(yīng)力安全系數(shù)的規(guī)定。3、經(jīng)濟(jì)性原則：在可以滿足使用性能的幾種材料中，選擇成

12、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(jì)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(jì)性與安全性，有一個(gè)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(qiáng)度試驗(yàn)方法直接使用材料的屈服強(qiáng)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(jī)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)TBT 1335-1996鐵道車輛強(qiáng)度計(jì)算及試驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT 7928-2003地鐵車輛通用技術(shù)條件對(duì)安全系數(shù)并無(wú)具體數(shù)值規(guī)定?？紤]到

13、我們國(guó)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(jì)時(shí)應(yīng)該留有一定的安全裕量。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的某B型輕量化不銹鋼車體選材時(shí)，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(diǎn)不銹鋼車體采用的是薄壁筒形結(jié)構(gòu)，即由整個(gè)車體結(jié)構(gòu)承擔(dān)強(qiáng)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

14、結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)表面的平整度要求很高，一般選擇殘余應(yīng)力小

15、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(kāi)發(fā)了強(qiáng)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(qiáng)度分析估算出來(lái)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(guò)超員狀態(tài)下的應(yīng)力集中的部位。因此，選用材料時(shí)要確保在各個(gè)工

16、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(jì)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(qiáng)度級(jí)別的材料。其中車頂邊梁和底架邊梁為車體通長(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響?？照{(diào)機(jī)組安裝座等部件應(yīng)力相對(duì)較小，且接口連接處要利用熔焊進(jìn)行密封處理

17、，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(xiàng)目中，為了降低制造成本和提高工藝性，對(duì)焊接強(qiáng)度要求高的端部結(jié)構(gòu)采用普通碳鋼和耐候鋼，對(duì)強(qiáng)度要求不高的司機(jī)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(diǎn)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(jì)的車體結(jié)構(gòu)主要零部件與SUS301L不銹鋼材料類型的對(duì)應(yīng)表。最后得到強(qiáng)度和剛度都滿足設(shè)計(jì)要求的帶司機(jī)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%，

18、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SUS301LHT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(bǔ)強(qiáng)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(jì)。同時(shí)，為了獲得更高性能和低成本的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研單位仍不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)探索。目前開(kāi)發(fā)的主要成果是在SUS301L不銹鋼基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了高氮的SUS301LN不銹鋼，由于高含氮量使它具備高強(qiáng)度與高韌性，更適合冷加工成型4。國(guó)外已將它