SUS301L系列不锈钢在轻量化城轨车辆车体上的应用.docVIP

SUS301L系列不锈钢在轻量化城轨车体上的应用 摘要：本文综合分析SUS301L系列不锈钢主要特性的，提出了城轨车体的选材思路与原则，并结合城轨车辆的车体结构特点和静强度仿真结果，完成了某B型轻量化不锈钢车体中主要零部件在该系列不锈钢材料中的选用。 关键词：SUS301L不锈钢；轻量化；城轨车体；选材 前言 打造绿色轨道交通装备已成为当今社会的潜在要求，即在额定牵引功率下，尽可能降低能耗以实现运行的高运能和低成本。在1972年石油危机爆发后到能源愈发匮乏的今天，轻量化成为各种车体的优先发展方向。 日系城轨车辆是车体轻量化的代表，与欧系车辆追求舒适、豪华而车体重量较大相比，它最大的特点是在追求实用、可靠的基础上，尽可能减少自重。由于原有的不锈钢板材不能很好满足车体的强度及制造工艺等要求，严重影响了车体轻量化的发展。因此早在1956年，日本东急车辆株式会社和钢企合作，开始自主研发车辆专用的不锈钢材料，其中SUS301L系列不锈钢已成为了国内外城轨车体的主流材料之一。 本文分析了SUS301L不锈钢的主要特性及相互关系，并以某B型轻量化不锈钢车体的选材原则及静强度分析为背景，完成车体中相关零部件该系列不锈钢的选用。 SUS301L不锈钢材料性能分析 适用于车体的不锈钢材料应具备四个条件：强度高、厚度小、焊接性能好易冷加工。前两者是车体轻量化的基本条件，后两者是车体的必要条件。SUS301L奥氏体不锈钢作为车辆专用的不锈钢材料，分析其各种材料特性、加工性能与车体结构之间的相互关系，可以为车体通过选材进行轻量化提供理论基础。 .1化学成分与抗腐蚀性能 不锈钢能在车体上得以广泛应用的前提是具有优良的抗腐蚀性能，这样在设计车体结构的板厚时，不再需要像耐候钢那样留有腐蚀余量。不锈钢的抗腐蚀性，往往是由其化学成分决定的。 东急公司开发的第一代真正意义的全不锈钢车体，使用的主要材料为SUS301不锈钢，它是在SUS304不锈钢的基础开发出来的。该钢通过降低Cr、Ni的含量，提高了加工硬化率，但同时碳含量没有降低，而使得其耐晶间腐蚀能力有所下降。所以在第二代全不锈钢车体上，SUS301不锈钢又被SUS301L不锈钢取代。它们的主要差异是后者通过降低C含量改善了焊接接头的抗晶间腐蚀性，同时添加N元素来弥补C降低引起的强度不足。SUS301L不锈钢材料的化学成分表1 []。 表1SUS301L不锈钢的化学成分 材料 化学成分， % 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 .2 物理性能与可焊接性 在奥氏体、马氏体和铁素体这三种典型的不锈钢中，奥氏体不锈钢的焊接性能是最好的。不过它的焊接性能尤其是弧焊性能，与其它车体材料相比差距还很大，这主要是受以下两点物理性能的制约： 1、热膨胀系数大。不锈钢材料的热膨胀系数约为碳钢的1.5倍，使得焊接时同样的热量其变形比普通钢材变形要大很多。 2、热导率低，约为碳钢的1/3。因此焊接产生的热量不能很快地分散，大量的热量聚集在焊缝区域。而不锈钢中的奥氏体组织在高温下具有不稳定性，在500℃ ～800℃时，钢材中Cr的碳化物会沿晶界析出，使得晶界附近因含Cr量下降而出现晶界腐蚀，同时屈服强度和抗拉强度会急剧下降[]。 因此，车体外表面的SUS301L不锈钢板要尽量避免使用电弧焊带来外观及抗腐蚀性能的损害，而普遍采用热输入量很小的点焊工艺。 .3 形变强化与冷加工性能 SUS301L不锈钢属于稳态奥氏体不锈钢，它经过固溶热处理后，在室温下呈现单相奥氏体组织。单相奥氏体组织的不锈钢本身具有高韧性和塑性，冷加工性能较好。但是其屈服强度和抗拉强度均不高，不能满足车体上大部分承重骨架结构的要求，须利用形变强化的方式来提高其强度，即通过多道冷压延工序，使材料产生一定量的形变马氏体而提高强度。 SUS301L不锈钢中N含量较高，增加了奥氏体的稳定性，具有较好的塑性和一定的后续成型能力。它的可压延率较大，且可以通过控制压延率的大小（0%～23%）来获得LT、DLT、ST、MT、HT 等五种强度级别的材料。其主要机械性能参数范围在标准[2]里有规定，见表2。 表 2 五种不同强度级别SUS301L不锈钢的机械性能 材料 调质代号 屈服强度 N/mm2 抗拉强度 N/mm2 伸长率 % 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