SUS301L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

2、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

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，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 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

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

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)范圍在標準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

7、拉強度N/mm2伸長率%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

8、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，除了要符合標準規(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

9、種強度級別的SUS301L不銹鋼適合的焊接方式和冷加工方式材料類型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，

10、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。SUS301LHT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

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)標準對許應(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

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。日本標準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)標準TBT 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；國家標準GBT 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

13、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)按取日本標準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

14、結(jié)構(gòu)?？梢娊Y(jié)構(gòu)上主要載荷中的軸向力成分由柱、梁承擔，而剪切力成分則由外板、車頂板、地板等薄板承擔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

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

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標準計算各種工況的結(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?？照{(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

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%，

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