《鐵路貨車設(shè)計與制造》課件-鐵路貨車設(shè)計與制造：第七章

鐵路貨車設(shè)計與制造鐵路運輸|國際貿(mào)易|跨境電商|快遞外貿(mào)授課老師：

材料及應(yīng)用鐵路運輸|國際貿(mào)易|跨境電商|快遞外貿(mào)授課老師：

第七章概述耐候鋼目錄CONTENT不銹鋼鋁合金復(fù)合材料低合金鑄鋼（B+、C、E級鑄鋼）目錄CONTENT非金屬材料鐵路貨車用鋼材的發(fā)展趨勢概述1我國重載貨車技術(shù)已經(jīng)跨入了世界先進行列，鐵路貨車制造綜合技術(shù)水平已達到或接近世界先進水平。我國鐵路貨車裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢為重載、快捷并重。而重載、快捷貨車的發(fā)展需要開發(fā)更為優(yōu)質(zhì)的材料，以提高車輛可靠性、實現(xiàn)輕量化設(shè)計、減少磨耗、減少腐蝕、實現(xiàn)主要零部件壽命管理等。為此，在提高設(shè)計、工藝水平的同時，應(yīng)對貨車用新材料進行充分研究，進一步加強鐵路與冶金等行業(yè)的合作，以優(yōu)質(zhì)的材料來促進鐵路車輛工業(yè)的迅速發(fā)展。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類新材料指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料，它們具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能，在人類社會進步和高技術(shù)的發(fā)展中具有重要的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用。新材料和常規(guī)(傳統(tǒng))材料之間并沒有明確的界限，新材料的發(fā)展必須以常規(guī)材料為基礎(chǔ)，才能實現(xiàn)質(zhì)量提高、品種增加、性能改進的目的。新材料一般應(yīng)具有以下特性：鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類

適合大批量生產(chǎn)在腐蝕、高溫和低溫的惡劣環(huán)境中經(jīng)久耐用

質(zhì)量輕特定的機械特性

易于加工14253新材料按照其基本組分可以分為新金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類，按照其性能可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。目前，高分子材料和復(fù)合材料具有比金屬材料更快的發(fā)展速度，但是金屬材料在將來一段時間內(nèi)仍會占據(jù)主導(dǎo)地位。在很長一段時間里，結(jié)構(gòu)材料是新材料的主體，但隨著高新技術(shù)的發(fā)展，功能材料將占據(jù)更重要的地位。對于所有的新材料，共同的要求是高性能、高精度、高質(zhì)量穩(wěn)定性、小型化和化。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類新材料的發(fā)展趨勢如下：(1)結(jié)構(gòu)材料走向復(fù)合化和功能化，功能材料走向多功能集成化和智能化。(2)按特定的應(yīng)用目標(biāo)、依靠新的合成制備技術(shù)開發(fā)新材料，借助材料科學(xué)設(shè)計新材料。目前，鐵路車輛采用的新材料主要有以下幾種。新金屬材料復(fù)合材料高分子材料鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類1.新金屬材料新金屬材料主要有黑色金屬(鐵和以鐵為基的合金)、有色金屬(黑色金屬以外的所有金屬及合金)和特種金屬(具有不同用途的結(jié)構(gòu)和功能金屬材料)等。較高的性能價格比，成熟的工藝和現(xiàn)有的裝備優(yōu)勢，使得新金屬材料在今后鐵路車輛的發(fā)展中仍將占有重要地位。2.復(fù)合材料復(fù)合材料又叫作高性能組合材料，是運用先進的材料制備技術(shù)，將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。該類材料不僅性能優(yōu)于組成中的任意一個單獨的材料，還可具有單獨組分不具有的獨特性能。各種材料在性能上互相補充，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足各種不同的要求。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類2.復(fù)合材料復(fù)合材料是結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重點，包括金屬基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳基復(fù)合材料等。利用復(fù)合材料的復(fù)合效應(yīng)，也可以開發(fā)出新型的功能材料和多功能材料。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類3.高分子材料高分子材料主要有塑料(熱塑性塑料和熱固性塑料)、橡膠(經(jīng)硫化處理，彈性優(yōu)良的高分子材料)和纖維(呈纖維狀的高分子材料)等。這類材料近幾十年來發(fā)展很快，其中，功能高分子材料的研發(fā)取得了很大進展。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.1新材料的特性和種類China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES鐵路車輛技術(shù)裝備的重載快捷技術(shù)發(fā)展，要求盡可能降低車輛自重，增加載重。因此，車體輕量化成為一個極其重要的研究課題。采用相對較輕的、耐蝕的新材料對實現(xiàn)車體輕量化及防蝕具有重大意義。據(jù)統(tǒng)計，一般車體鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量約占車輛總重的一半以上。為有效減輕車體質(zhì)量，在設(shè)計中廣泛采用了綜合機械性能較好，同時耐腐蝕性較強的高強度耐候鋼。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES此外，把不銹鋼、鋁合金等作為車體承力構(gòu)件在減輕自重方面潛力很大。而非金屬材料在提高零部件性能方面具有一定優(yōu)勢。由于高強度耐候鋼在不增加車輛質(zhì)量的前提下可增強構(gòu)件的抗變形能力，因此在同等強度條件下，采用高強度耐候鋼可以減少板厚，降低車體質(zhì)量，同時，與鋁合金、復(fù)合材料等相比，高強度耐候鋼具有良好的低溫韌性、機械性能和焊接性能，以及制造相對容易、經(jīng)濟性較好等特點，因此被廣泛應(yīng)用于鐵路車輛的車體承力構(gòu)件。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES為解決車輛的防腐問題，延長車輛的使用壽命，減少車體的檢修次數(shù)，近年來我國鐵路貨車開始采用不銹鋼作為車體承力構(gòu)件。采用不銹鋼，在板厚較小的情況下也不會因腐蝕而影響車輛性能，同時也可以達到減輕自重的目的。在我國貨車中，車體已成功運用不銹鋼材料的鐵路貨車有鐵素體不銹鋼專用敞車，鐵素體不銹鋼煤炭、石碴漏斗車以及不銹鋼罐車等。不銹鋼材料的運用顯著增強了車體的耐蝕性，使車輛壽命由25年延長至30年、35年；同時降低了車輛自重，提高了車輛的載重。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES鋁合金具有良好的機械性能和耐腐蝕性能，其密度只有鋼鐵的1/3,可有效減輕車體質(zhì)量。我國大秦線運用的C80型鋁合金浴盆式運煤敞車在端墻、側(cè)墻、浴盆等部位都采用了鋁合金材料。非金屬材料具有密度小、耐磨損、抗腐蝕、成型性好等特點，因此在鐵路車輛上得到了較為廣泛的應(yīng)用，并逐漸向結(jié)構(gòu)件和功能件擴展，在改善車輛性能、實現(xiàn)車體輕量化設(shè)計方面發(fā)揮了重要作用。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES綜上所述，鐵路車輛上使用新材料后，減輕了車輛自重，延長了車輛使用壽命，保證了行車安全，提高了車輛系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。2003年以來，大秦線重載貨車從軸重21t、載重60t的CA型敞車升級為軸重25t、載重80t的C80型鋁合金、C80B型不銹鋼運煤專用敞車，為大秦鐵路開行2萬噸重載列車提供了優(yōu)良的裝備保障，使大秦線實現(xiàn)了年運量4億噸的跨越。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES從2006年開始，新造通用貨車實現(xiàn)了載重由60t級邁向70t級的全面升級換代，載重增加了17%;車體主要承載部件材料采用屈服強度為450MPa的高強度耐候鋼，許用應(yīng)力提高了30%;車體縱向承載力從2250kN提高到2500kN,滿足了1萬噸編組列車縱向力的要求。上述成就的取得主要得益于近幾年來新材料在鐵路貨車上的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國重載貨車技術(shù)已經(jīng)跨入了世界先進行列。7.1.2鐵路車輛應(yīng)用新材料的作用鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.3使用新材料的目的新材料及其應(yīng)用技術(shù)作為鐵路貨車技術(shù)非常重要的一個方面，直接影響鐵路貨車整體技術(shù)水平，減輕車輛自重、提高承載能力和可靠性、延長使用壽命是實現(xiàn)鐵路運輸重載與提速的重要手段，而鐵路貨車的發(fā)展離不開新材料。自重系數(shù)的降低，既可使車體輕量化，增加載重，又可以直接降低每噸公里貨物凈重的單位能耗。減輕車輛結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要方向之一是采用高強度鋼材和其他新材料，隨著鐵路貨車整體技術(shù)水平的提高，高強度、高耐腐蝕性能的新型和大型擠壓成型材料，不銹鋼、鋁合金等金屬材料，以及橡膠、高分子復(fù)合材料、玻璃鋼等非金屬材料在貨車上得到了大量推廣和使用，使用擠壓成型材料，可以優(yōu)化車輛構(gòu)件，使斷面合理，充分利用材料性能并減少焊接工作量。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.3使用新材料的目的不銹鋼具有高機械性能，其冷變形硬化的良好特性可以降低構(gòu)件的厚度，其合理的斷面設(shè)計可以提高構(gòu)件的剛度。美國使用鋁合金材料制造的車輛已占車輛總數(shù)的1%,使用壽命可達50年。另外，美國還成功研制了聚苯乙烯玻璃鋼漏斗車，自重減輕約6t。因此，合理地采用新材料和新結(jié)構(gòu)可以提高鐵路貨車的技術(shù)經(jīng)濟性能，為用戶帶來良好的經(jīng)濟效益。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.3使用新材料的目的使用新材料的目的是降低車輛自重系數(shù)、延長車輛使用壽命、優(yōu)化整車運行品質(zhì)、提高車輛系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。近幾年來，許多新材料在鐵路貨車上的推廣和應(yīng)用在減輕車輛自重、提高承重能力、延長使用壽命、保證行車安全等方面發(fā)揮了重要作用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的日益成熟，新材料在鐵路車輛中的應(yīng)用越來越廣泛。鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.3使用新材料的目的鐵路貨車設(shè)計與制造7.1.3使用新材料的目的車輛零部件所用材料應(yīng)根據(jù)零部件的承載情況、工作環(huán)境、重要程度，并考慮材料來源、工藝性能和經(jīng)濟性等因素綜合研究而確定。由于在運用中車體鋼結(jié)構(gòu)承受著較復(fù)雜的動載荷，運行地區(qū)的溫差很大，工作環(huán)境惡劣，因此要求所用材料具有較好的機械強度，良好的塑性、低溫沖擊韌性、可焊性以及抗腐蝕性等。China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)采用的鋼材主要有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、耐大氣腐蝕鋼、高強度耐大氣腐蝕鋼、鋁合金、不銹鋼等。1949年后，中國鐵路貨車主要經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段，第一階段是從1949年至1957年的仿制國外產(chǎn)品階段，第二階段是從1957年至今的自行設(shè)計、自主創(chuàng)新階段。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES在這兩個階段中，我國鐵路貨車用鋼材發(fā)展主要經(jīng)歷了鋼木混合、碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強度耐候鋼等幾個階段。2003年以后，在專用貨車上采用了鋁合金和不銹鋼材料。我國鐵路貨車用材料發(fā)展歷程見表7-1（見本書P267）。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES在20世紀80年代以前，鐵路貨車鋼結(jié)構(gòu)基本上采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼等材料，20世紀90年代初期研制的耐大氣腐蝕鋼以屈服強度為295MPa的09CuPTiRe和屈服強度為345MPa的09CuPCrNi銅磷系列鋼材為代表，其耐腐蝕性一般相當(dāng)于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的2倍左右。到2001年為止，鐵路主型敞車、平車、棚車、罐車、漏斗車上都采用的是這種耐候鋼。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES隨著重載、提速戰(zhàn)略的實施，2003年開始，鐵路行業(yè)開始使用高強度、高耐候的結(jié)構(gòu)鋼，以降低車輛自重、提高整車性能。70t級貨車主要采用屈服強度為450MPa的Q450NQR1耐候鋼。2003年3月鐵道部在關(guān)于大秦線運輸擴能貨車技術(shù)工作會議上，提出了為實現(xiàn)重載、提速，開發(fā)大秦線專用的鋁合金運煤敞車，拉開了鋁合金材料在鐵路車輛上應(yīng)用的序幕，經(jīng)過鐵道部定型的C80型鋁合金運煤敞車在大秦線運用。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES為滿足鐵路貨運重載、提速、安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的要求，應(yīng)提高鐵路車輛尤其是貨運車輛的品種、檔次和質(zhì)量，不銹鋼以其特有的耐腐蝕性強、自重輕、造型美觀、耐高溫、壽命長等優(yōu)點，受到了鐵路車輛制造企業(yè)的極大關(guān)注，應(yīng)用范圍越來越廣泛。2004年，采用鐵路經(jīng)濟型鐵素體不銹鋼制造的載重80t不銹鋼運煤專用敞車研制成功，2005年5月開始在大秦線進行運用考驗，2006年開始批量生產(chǎn)，到2020年底已有50000輛投入大秦線運用。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES目前運行于我國線路上的新型重載鐵路貨車主要采用高強度耐大氣腐蝕鋼、鋁合金、鐵素體不銹鋼三種材料。高強度耐大氣腐蝕鋼具有較好的力學(xué)性能參數(shù)、良好的焊接工藝、成熟的運用經(jīng)驗，有利于保證車輛主要承載結(jié)構(gòu)的強度；鋁合金材料的使用有助于降低車輛自重，提高抗腐蝕性，延長使用壽命，但鋁合金價格昂貴，不宜采用焊接結(jié)構(gòu)且維護、檢修困難；鐵素體不銹鋼的抗腐蝕性好，焊接工藝成熟，壽命期內(nèi)綜合使用成本較低。7.1.4材料的發(fā)展歷程China'skeyShanghaiCompositeIndexhelditspoisethroughthemarketjittersbuthasstillfallen9.38percentsincethebeginningoftheyear,closingat2,763.99onFriday.TheChiNextindex,trackingShenzhen'sinnovativestartup-heavyboard,hasshed16.86EXPANDINGTHELOGISTICSSERVICES為進一步提高新造貨車轉(zhuǎn)向架搖枕和側(cè)架的運用可靠性，提高搖枕、側(cè)架的結(jié)構(gòu)強度和產(chǎn)品質(zhì)量，搖枕、側(cè)架采用了B+級鑄鋼。非金屬材料具有密度小、耐磨損、抗腐蝕、成型性好等優(yōu)點，因此在鐵路車輛上的應(yīng)用范圍越來越廣，各研制單位都積極研究、探索采用非金屬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制造貨車零部件，以提高車輛的技術(shù)性能，減輕車輛自重，滿足車輛重載、提速的要求。7.1.4材料的發(fā)展歷程耐候鋼2鐵路貨車長時間處于大氣環(huán)境條件下，受到大氣中溫度、濕度、降水和空氣污染的作用，同時其所處環(huán)境通常并不固定，運用條件有時相當(dāng)惡劣。特別是車廂內(nèi)部，除受到水、溫度和陽光的作用外，還受到貨物中酸、堿、鹽的影響，貨物裝卸時機械的作用和運輸、裝卸過程中貨物與車廂的相互摩擦作用。如此嚴酷的運用條件可能使車輛的防護涂裝在較短的時間內(nèi)發(fā)生損壞，進而造成鋼板的腐蝕和磨損，在此情況下材料本身的性能至關(guān)重要，這就是貨車車體使用耐候鋼后其使用壽命明顯優(yōu)于使用原普通碳鋼的主要原因。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能

鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能由于耐候鋼表面可形成具有保護效應(yīng)的穩(wěn)定銹層，因此耐候鋼可以在多數(shù)條件下不經(jīng)涂裝就裸露使用，如應(yīng)用于橋梁、塔桅、燈柱、高速公路導(dǎo)軌，但在重腐蝕環(huán)境條件下，耐候鋼必須經(jīng)涂裝后方可使用。耐候鋼中這層致密氧化物膜的存在，阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，從而大大提高了鋼鐵材料的耐大氣腐蝕能力，其耐蝕性相對原用低碳鋼有相當(dāng)大的改善。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能耐候鋼與普通鋼材腐蝕銹層比較如圖7-1所示。研究表明，依耐候鋼成分不同，鋼構(gòu)件使用環(huán)境不同，耐候鋼的抗大氣腐蝕能力可比普通鋼提高2～8倍，涂裝性可提高1.5～10倍。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能耐候鋼的研究始于美國，其20世紀30年代開發(fā)的Cor-Ten系列耐候鋼為各國仿制并沿用至今。相對于普通鋼的抗大氣腐蝕的有效性和相對于不銹鋼的經(jīng)濟性，使得耐候鋼在世界各國得到了迅速發(fā)展。在Cor-Ten系列耐候鋼的基礎(chǔ)上，各鋼鐵大國根據(jù)資源和使用要求開發(fā)了品種繁多的耐候鋼系列?？偟膩碚f，目前的耐候鋼都是以Cor-Ten為基礎(chǔ)，有的加入微合金化元素，提高強度，如美國的Mayari-R鋼(耐腐蝕性是普通鋼的3～6倍),日本的加鈮鋼River-Ten,日本的加鈦鋼Hi-YAW-Ten等；有的去掉Cor-Ten鋼中的磷、鎳或鉻，改加其他元素。銅是耐候鋼中最重要的元素，很少有耐候鋼不含銅。由于磷元素易形成低熔點化合物并且具有偏聚特性，而較厚規(guī)格高磷含量耐候鋼的焊接性能和低溫沖擊性能難以滿足工程需要。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能因此，一般焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼都會對磷的含量加以限制，由此帶來的耐腐蝕性和強度等方面的損失則通過加入其他元素來彌補，如英國的BS968鋼降低磷含量提高錳含量，蘇聯(lián)的HM鋼降低磷含量加入鈦，蘇聯(lián)的10CrSiNiCu鋼降低磷含量提高硅含量，日本的JISSMA41系列鋼降低磷含量提高錳含量，美國的Cor-TenB鋼降低磷含量提高錳含量并加入釩，等等。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能我國開發(fā)耐候鋼品種起步較晚，1961年鞍鋼開始研制16MnCu,之后又結(jié)合國內(nèi)資源特點研制了一批含銅、磷、鈦及稀土等元素的耐候鋼。1969年我國研制09MnCuPTi制造鐵路貨車。1978年以后，我國開始采用鎳和鉻等元素仿制國外耐大氣腐蝕鋼。從1965年起，武鋼與有關(guān)科研院所選擇了19種含銅鋼及含稀土、鈦、錳等元素的低合金鋼，在我國不同環(huán)境條件下進行了長達15年的7個周期大氣暴露試驗，積累了一批可靠的數(shù)據(jù)，為進一步發(fā)展我國耐候鋼奠定了良好的基礎(chǔ)。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能我國在1967年首次將耐候鋼材料用于鐵路貨車制造，1978年前后，鐵道部與冶金部合作，開始在鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)上試用耐大氣腐蝕鋼，1985年開始將其應(yīng)用于鐵路貨車生產(chǎn)，1990年起新造車輛全部采用耐大氣腐蝕鋼。使用較多的耐候鋼有09CuPTiRe和09CuPCrNi等，強度等級前期主要為295MPa,之后多為345MPa,耐大氣腐蝕鋼的耐腐蝕性能見表7-2（見本書P270）。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.1

耐候鋼的特點及鐵路車輛用耐候鋼性能試驗表明，相對于普通鋼材，耐候鋼的使用壽命可延長1倍左右，鐵路貨車采用耐候鋼后，通過改善表面處理、涂料保護和涂裝條件等措施，延長了車輛使用壽命，廠修期由5年改為8年。牌號相對腐蝕速率牌號相對腐蝕速率08CuPVRE≤65%09CuPCrNi-B≤60%09CuPTiRE-A≤65%05CuPCrNi≤60%09CuPTiRE-B≤65%Q235-A100%09CuPCrNi-A≤60%鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能鐵路車輛的技術(shù)進步，一定程度上依賴于我國鋼材的品種、性能與質(zhì)量。在20世紀80年代以前，鋼結(jié)構(gòu)基本上采用普碳鋼等，耐大氣腐蝕鋼則一直以屈服強度為295MPa的09CuPTiRe和屈服強度為345MPa的09CuPCrNi為主，而美國等一些發(fā)達國家耐候鋼的屈服強度已高達550MPa。這種銅磷系列的耐候鋼，其耐腐蝕性一般相當(dāng)于普通碳素鋼的2倍左右。到2001年為止，鐵路主型貨車(敞車、棚車)上都采用的是這種耐候鋼。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能隨著重載、提速的鐵路主要技術(shù)政策的制定，2003年開始，鐵路行業(yè)開始選用高強度、高耐候的結(jié)構(gòu)鋼，以降低車輛自重、提高整車性能。高強度耐候鋼是指屈服強度不小于400MPa的耐候鋼，它是與Cu-P-Cr-Ni耐候鋼成分體系不同的高強度、高耐候性鋼系列。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能高強度耐候鋼是一個以細晶化和析出強化為特征的低合金鋼體系，是融入了現(xiàn)代冶金新機制、新技術(shù)和新工藝后發(fā)展而成的新鋼種，與普通耐候鋼相比，高強度耐候鋼提高了Si、Mn元素的含量，降低了P、S等有害元素的含量，使鋼材強度有較大幅度的提高。高強度耐候鋼具有優(yōu)質(zhì)鋼的強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、疲勞等特性，是制造重載提速貨車的重要材料，已在我國70t級、80t級新一代貨車上廣泛運用，主要用于車體底架的中梁、側(cè)梁、橫梁、端梁，端柱，側(cè)柱等承載構(gòu)件。為滿足新型貨車的輕量化要求，提高車輛用鋼材的強度等級，改善鋼材的耐大氣腐蝕性能，延長車輛使用壽命，2003年開始在鐵路貨車上批量采用屈服強度為400MPa、450MPa和500MPa的高強度耐大氣腐蝕系列鋼。2008年，新型70t級共用平車采用了Q420NQR1耐大氣腐蝕H型鋼。新型H型鋼的開發(fā)應(yīng)用，滿足了新型鐵路平車增加載重對車體鋼結(jié)構(gòu)的強度要求。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能常用高強度耐候鋼的耐腐蝕性能見表7-3（本書P271）,耐候鋼、高強度耐候鋼與普通鋼材耐腐蝕性能比較見圖7-2（本書P271）。鋼牌號相對腐蝕率Q400NQR1≤47.0%Q450NQR1≤47.5%Q500NQR1≤50%Q550NQR1≤55%Q345C100%鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.2

我國高強度耐候鋼性能常用高強度耐候鋼的耐腐蝕性能見表7-3（本書P271）,耐候鋼、高強度耐候鋼與普通鋼材耐腐蝕性能比較見圖7-2（本書P271）。由圖7-2可知，高強度耐候鋼的耐腐蝕性能約為普通結(jié)構(gòu)鋼的2倍。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.3

國外鐵路貨車用鋼材重載運輸比較發(fā)達的國家主要有美國、加拿大、澳大利亞、南非、巴西等，其中以美國為代表，其鐵路貨車技術(shù)一直都代表著世界最先進的水平。美國在20世紀30年代就開始研究耐候鋼并在鐵路貨車上進行了應(yīng)用。隨著鐵路貨車技術(shù)水平的不斷發(fā)展，為了提高運能，最大可能地降低車輛自重、提高載重，美國在鐵路貨車上大量采用了鋁合金和不銹鋼材料，但其主要受力部件仍采用高強度耐候鋼和高強度低合金鋼，其中以高強度耐候鋼為主。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.3

國外鐵路貨車用鋼材美國鐵路貨車用耐候鋼機械性能見表7-4.美國鐵路貨車用高強度低合金鋼符合ASTM的要求，其機械性能見表7-5。美國鐵路貨車用鋼化學(xué)成分見表7-6（見本書P272）。加拿大鐵路貨車的發(fā)展趨勢基本上和美國的一致，在大力發(fā)展鋁合金和不銹鋼車；澳大利亞鐵路貨車已經(jīng)逐步淘汰耐候鋼，向不銹鋼發(fā)展；南非是采用不銹鋼車體最早的國家之一，也正在大力發(fā)展不銹鋼車。2010年以來，俄羅斯鐵路貨車也得到了大力發(fā)展，現(xiàn)階段其主要車型的軸重為23t,已開發(fā)了27t軸重貨車，正在研制30t軸重貨車。俄羅斯鐵路貨車用材料以耐候鋼為主，2001年以前，俄羅斯鐵路貨車主要采用強度級為295、325、345的耐候鋼，其屈服強度都不超過345MPa;2002年俄羅斯研制了強度級為390的耐候鋼，其屈服強度為390MPa,這種耐候鋼在新造貨車上得到了廣泛應(yīng)用。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.3

國外鐵路貨車用鋼材俄羅斯鐵路貨車用耐候鋼機械性能見表7-7（見本書P273）。2002年，俄羅斯鋼鐵公司開始為鐵路貨車研制強度級為400～500的高強度耐候鋼，目前該類型鋼材的化學(xué)成分和機械性能都已確定，正在進行各項綜合試驗，其主要機械性能見表7-8（見本書P274）。鐵路貨車設(shè)計與制造7.2.3

國外鐵路貨車用鋼材不銹鋼37.3.1不銹鋼的分類、特性及用途不銹鋼是指鉻含量在10.5%以上的合金鋼。按組織不同，不銹鋼可分為以下四大類：奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼雙相不銹鋼馬氏體不銹鋼7.3.1不銹鋼的分類、特性及用途奧氏體不銹鋼在固溶狀態(tài)下沒有磁性，耐腐蝕性能、加工性能、低溫韌性良好，在不銹鋼中應(yīng)用最廣泛。但由于這類不銹鋼含8%～10%的貴重金屬Ni和Mo,因此其價格昂貴。典型鋼種SUS304(0Cr18Ni9)含18%Cr、8%～10%Ni和少量Mo,SUS316L(00Cr17Nil4Mo2)含17%Cr、14%Ni和2%Mo。這類不銹鋼常用于石油化工、化肥、水處理、工業(yè)及日用制品等。鐵素體不銹鋼有磁性，屈服強度高，耐應(yīng)力腐蝕性能好，耐大氣腐蝕性能與奧式體不銹鋼基本相當(dāng)。由于這類不銹鋼不含或含少量Ni,因此其價格遠低于奧氏體不銹鋼。近年來隨著不銹鋼冶金技術(shù)水平的提高，這類不銹鋼應(yīng)用越來越廣泛。典型鋼種SUS430(0Cr17)含17%Cr,SUS409L、3Cr12、5Cr12(00Cr12Ti)含12%Cr、0.5%～0.8%Ni及適量Ti。這類不銹鋼主要用于家電、工業(yè)及日用制品、交通運輸裝備等。7.3.1不銹鋼的分類、特性及用途7.3.1不銹鋼的分類、特性及用途馬氏體不銹鋼通過熱處理提高表面硬度，強度、硬度高，耐磨性好，但韌性及焊接性能較差。盡管這類不銹鋼價格低廉，但其應(yīng)用范圍有限。典型鋼種SUS420J(2Cr13)、SUS410(1Cr13)均含13%Cr。這類不銹鋼常用于制造刀具、軸、汽輪機葉片等。雙相不銹鋼同時具有奧氏體和鐵素體兩種不銹鋼的優(yōu)點，強度高，耐腐蝕性能好，但其生產(chǎn)和加工難度最大，價格昂貴，用量占不銹鋼總量不足1%。典型鋼種2205(00Cr22Ni5Mo3N)含22%Cr、5%Ni、3%Mo。這類不銹鋼應(yīng)用于石油化工、海洋等苛刻的腐蝕環(huán)境。7.3.1不銹鋼的分類、特性及用途按加工工藝和用途劃分，不銹鋼的表面狀態(tài)有許多種，但典型的主要有以下三種：(1)不銹鋼在熱軋后表面為黑色，與普通碳鋼沒有多少差別，稱為不銹鋼黑板，南非鐵路不銹鋼貨車用的即該黑色表面狀態(tài)的不銹鋼板；(2)熱軋狀態(tài)不銹鋼板通過熱處理、除鱗、酸洗后得到銀白色亞光表面狀態(tài)，稱為No.1表面，澳大利亞鐵路不銹鋼貨車用的即經(jīng)酸洗后的銀白色亞光表面狀態(tài)不銹鋼板；鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

不銹鋼的三種典型表面狀態(tài)按加工工藝和用途劃分，不銹鋼的表面狀態(tài)有許多種，但典型的主要有以下三種：(3)冷軋狀態(tài)不銹鋼板經(jīng)過冷軋、退火、酸洗、平整后得到銀白色光亮表面，稱為2B表面，這也是我們?？吹降墓I(yè)及日用制品用不銹鋼表面狀態(tài)。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

不銹鋼的三種典型表面狀態(tài)3Cr12類鐵素體不銹鋼是典型的經(jīng)濟型不銹鋼，最早由總部位于盧森堡的世界最大的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)——阿塞洛公司所屬的南非哥侖布廠在20世紀70年代開發(fā)，很多國家和地區(qū)已將該鋼種納入其不銹鋼標(biāo)準，歐標(biāo)中的1.4003、美標(biāo)中的S41003、德標(biāo)中的X2CrNi12以及我國的022Cr12Ni均等效于南非的3Cr12,后續(xù)瑞典、德國等歐洲國家也進行生產(chǎn)，只是德國命名的牌號為4003,瑞典命名的牌號為5Cr12Ti。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

國外3Cr12經(jīng)濟型不銹鋼的特點及應(yīng)用3Cr12不銹鋼的主要特點如下：(1)3Cr12不銹鋼含有12%左右的Cr、適量的Ti和少量的Mo元素，因此該不銹鋼具有中等的耐腐蝕性、較高的強度、良好的可焊性，以及較好的耐磨性、耐濕磨性和滑動性。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

國外3Cr12經(jīng)濟型不銹鋼的特點及應(yīng)用3Cr12不銹鋼的主要特點如下：(2)3Cr12不銹鋼含價格昂貴的Ni、Mo等元素較奧式體不銹鋼少，所以其價格比奧氏體不銹鋼低，且比較穩(wěn)定，受市場影響的波動較小。(3)屬于綠色鋼鐵材料，對環(huán)境友好。經(jīng)濟型不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，即使長期放置也不會因銹蝕而造成環(huán)境的污染，而且加工余料和廢鋼殘值不受影響，通過回爐熔煉和軋制，便可重復(fù)利用。因此經(jīng)濟型不銹鋼又可稱為“綠色鋼鐵材料”。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

國外3Cr12經(jīng)濟型不銹鋼的特點及應(yīng)用3Cr12不銹鋼耐腐蝕性比奧式體不銹鋼的低些，比耐候鋼的高很多倍。南非及英國的試驗結(jié)果表明：3Cr12不銹鋼在海洋環(huán)境中的恒定腐蝕速率為0.001～0.002mm/年，耐候鋼在涂漆良好的條件下一般腐蝕速率為0.1mm/年。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

不銹鋼的三種典型表面狀態(tài)澳大利亞BHP公司對應(yīng)用了5年的不銹鋼礦石車進行了測量，基本沒有測到材料的減薄數(shù)值。南非Spoornet對不銹鋼煤車進行了為期5年的運用考驗跟蹤檢測，也沒有發(fā)現(xiàn)不銹鋼墻板厚度減薄。因此，3Cr12經(jīng)濟型不銹鋼在南非、澳大利亞的鐵路貨車中越來越多地得到了應(yīng)用。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.2

不銹鋼的三種典型表面狀態(tài)7.3.4國外經(jīng)濟型不銹鋼鐵路貨車應(yīng)用情況不銹鋼貨車在澳大利亞應(yīng)用范圍比較廣泛，不銹鋼煤車、礦石車的保有量超過10000輛。近年來必和必拓(BHP)、力拓、FMG等鐵礦石巨頭大量采購不銹鋼車，市場前景很好。1澳大利亞南非運用不銹鋼車歷史最長。從1995年開始，南非鐵路就已經(jīng)停止了耐候鋼煤車的制造，陸續(xù)對既有的耐候鋼煤車車體進行技術(shù)改造，與煤接觸的部分全部更換為不銹鋼材質(zhì)。7.3.4國外經(jīng)濟型不銹鋼鐵路貨車應(yīng)用情況2南非7.3.4國外經(jīng)濟型不銹鋼鐵路貨車應(yīng)用情況英國采用不銹鋼制造的煤漏斗車樣車已經(jīng)應(yīng)用了多年。1995年，不銹鋼首次批量應(yīng)用在新型煤車的漏斗上，對漏斗體和底門的檢查表明了其卓越的性能——具有光滑的低摩擦表面，提供連續(xù)高效的卸煤環(huán)境。3英國采用不銹鋼材料作為鐵路貨車的結(jié)構(gòu)材料，是我國鐵路貨車設(shè)計、制造及運用的一個新領(lǐng)域。2003年，根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，以及C80型鋁合金運煤專用敞車在大秦線的運用情況，我國研制了鐵路經(jīng)濟型鐵素體不銹鋼TCS345,采用該材料制造了第一輛載重80t的運煤專用敞車，樣車于2005年5月開始在大秦線進行運用考驗。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.5

我國不銹鋼材料性能2005年該材料定名為TCS345(T表示鐵路貨車的漢語拼音的首位字母；C表示車體的漢語拼音的首位字母；S表示不銹鋼英文的首位字母；數(shù)字表示屈服強度的最低值)。經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場運用考驗，第一批用TCS345材料生產(chǎn)的車輛出現(xiàn)了裂紋，后通過引進國外材料如德國Nirosta4003mod鐵素體不銹鋼、日本新日鐵NSSC410WMT1鐵素體不銹鋼，國內(nèi)鋼廠對TCS345材料的合金成分進行了優(yōu)化，研制了改進型的鐵素體不銹鋼，2008年該材料定名為T4003。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.5

我國不銹鋼材料性能TCS材料與國外3Cr12化學(xué)成分相近，但由于TCS材料采用了超低碳氮和微合金化控制技術(shù)，因此與3Cr12相比，TCS材料強度較高，韌性較好，脆性轉(zhuǎn)變溫度低。TCS材料是典型的經(jīng)濟型不銹鋼，其主要特點如下：(1)含有12%左右的Cr和少量的Ni元素，具有中等的耐腐蝕性、較高的強度、良好的可焊性以及較好的耐磨性和滑動性。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.5

我國不銹鋼材料性能TCS材料是典型的經(jīng)濟型不銹鋼，其主要特點如下：(2)含有的Ni、Mo等元素較奧氏體不銹鋼少，價格較低。T4003不銹鋼焊接接頭熔合線低溫沖擊值高于TCS不銹鋼，這改善了焊縫熱影響區(qū)的性能，降低了焊縫熱影響區(qū)裂紋的風(fēng)險。T4003經(jīng)濟型不銹鋼已成功應(yīng)用在我國Can型不銹鋼運煤敞車上。鐵路貨車設(shè)計與制造7.3.5

我國不銹鋼材料性能鋁合金4鐵路貨車設(shè)計與制造鋁是一種儲量非常豐富的材料，它在地殼中的含量為8.1%,僅次于氧和硅，在金屬中高于鐵(含量為5.0%)而居于第一位，純鋁(純度為99.999%)在退火狀態(tài)下抗拉強度僅為45MPa,延伸率為60%,但是通過形變、合金化和熱處理就可以顯著提高其強度，使其抗拉強度達到500MPa,相當(dāng)于合金鋼的強度。7.4.1材料性能鋁的密度只有2.7×103kg/m3左右，約為鋼材的1/3,顯然鋁的比強度大大高于鋼材，這是鋁合金作為輕量化結(jié)構(gòu)材料最重要的原因。鋁合金是以鋁為基的合金總稱，主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金，鑄造鋁合金在鑄態(tài)下使用；形變鋁合金能承受壓力加工，力學(xué)性能高于鑄造鋁合金，可加工成各種形態(tài)、規(guī)格的鋁合金材，根據(jù)合金的成分，形變鋁合金又分為工業(yè)純鋁、防銹鋁、硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能在國際標(biāo)準ISO和國標(biāo)中，鋁合金牌號采用1000～8000之間的4位數(shù)字來表示，其中5000系列鋁鎂合金、6000系列鋁鎂硅合金和7000系列鋁鋅合金都具有較高的強度，在鐵路車輛設(shè)計中被用作結(jié)構(gòu)材料，鐵路車輛常用鋁合金材料化學(xué)成分、力學(xué)性能及特性分別見表7-9、表7-10及表7-11（見本書P277-278）。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能鋁合金車體零部件間的連接，既有焊接結(jié)構(gòu)，也有鉚接結(jié)構(gòu)、螺栓連接結(jié)構(gòu)，這是因為：一方面，鋁合金的焊接復(fù)雜，手工操作難，容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力變形、裂紋和氣孔；另一方面，焊縫區(qū)域是微細的鑄造組織，其機械強度比母材低，即焊縫是車體的薄弱環(huán)節(jié)。利用鋁合金良好的塑性，將車體的板與梁做成一體化的擠壓型材結(jié)構(gòu)，可使車體結(jié)構(gòu)大大簡化，使其具有較好的剛度，并具有良好的耐沖擊性。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能在板梁結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用廣泛的材料是5000系列合金，如5083合金。5000系列合金屬于防銹鋁，耐腐蝕，焊接性能好，不能進行熱處理，可以通過冷變形強化，但擠壓性能不太好，不能用來擠壓復(fù)雜的斷面，且壁厚不能太薄。因此，5000系列合金主要用來制作板梁式結(jié)構(gòu)的側(cè)板、頂板和骨架。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能擠壓性能最好的是6000系列合金，如日本研制的6N01合金和法國研制的6005A合金，這兩種合金都屬于鍛鋁，具有良好的焊接性能，其中的鎂元素和硅元素能夠形成塑性良好的Mg:Si化合物，因此，6000系列合金能夠擠壓出復(fù)雜的形狀，最新壁厚可達到2.5mm,并具有中等強度，是具有擠壓型材結(jié)構(gòu)的車體使用最多的材料。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能鋁合金材料的性能有以下幾大特點：(1)在強度滿足要求的情況下，同一結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)件自重是鋁質(zhì)件的2倍；(2)鋁的化學(xué)性質(zhì)很活潑，空氣中鋁合金表面會形成一層致密的Al?O?保護膜，其表面硬度較高，不易破損，在大氣中有很好的防腐能力，不僅可以降低車輛的制造和修理費用，還可以減少涂裝工作量；鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能鐵路貨車設(shè)計與制造鋁合金材料的性能有以下幾大特點：(3)鋁合金在潮濕環(huán)境中，特別是當(dāng)介質(zhì)中含有陰離子(如Cl-)時，容易產(chǎn)生局部原電池，發(fā)生點蝕，形成點蝕坑，由于溫度對鋁合金材料性能的影響較大，因此焊縫熱影響區(qū)內(nèi)材料的性能(如強度)有所降低，故零部件的連接須采用鉚接結(jié)構(gòu)；7.4.1材料性能鋁合金材料的性能有以下幾大特點：(4)鋁合金材料與其他金屬接觸存在電化學(xué)腐蝕，為防止這種腐蝕，在車輛設(shè)計生產(chǎn)中，凡是鋁合金材料與鋼接觸的部位均應(yīng)采取防電化學(xué)腐蝕措施，如在鋁合金表面和電解質(zhì)之間設(shè)置一層物理性阻擋層，可以起到防腐作用。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.1材料性能鐵路貨車常用鋁合金材料的牌號主要有5083-H321和6061-T6,其中，板材多為5083-H321,屬于第5系列鋁合金。該系列合金中鎂是主要元素，故該系列也被稱為“Al-Mg系”。在工業(yè)常用的第5系列鋁合金中，鎂的含量一般不超過5.5%,它的加入能顯著提高鋁的強度，但又不會使其塑性過分降低。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.2材料分類及特性H321表明了該材料加工硬化后再經(jīng)過穩(wěn)定化處理的狀態(tài)，加工硬化后再經(jīng)低溫退火，合金強度略有降低，伸長率稍有升高，材料力學(xué)性能穩(wěn)定，各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件用的鋁合金型材多為6061-T6,屬于第6系列鋁合金，即"Al-Mg-Si系”。鎂和硅作為合金元素添加到鋁中，提高了鋁合金的可熱處理強化性，當(dāng)達到T6固溶處理人工時效的狀態(tài)后，鋁合金材料的力學(xué)性能處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而便于工程使用。鐵路貨車設(shè)計與制造7.4.2材料分類及特性復(fù)合材料5常見的復(fù)合材料由基體材料和增強體材料兩種性質(zhì)不同的材料組合而成?；w材料分為金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬基體材料常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體材料主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等，增強體材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、品須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.1材料分類復(fù)合材料按用途主要可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料兩大類。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料指主要作為承力結(jié)構(gòu)使用的材料，由能承受載荷的增強體組元(如玻璃、陶瓷、金屬等)與能聯(lián)結(jié)增強體成為整體又起傳力作用的基體組元(如樹脂、金屬等)構(gòu)成。通常按基體的不同將結(jié)構(gòu)復(fù)合材料分為聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和水泥基復(fù)合材料等。功能復(fù)合材料指除力學(xué)性能以外還提供其他物理、化學(xué)、生物等性能的復(fù)合材料。鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.1材料分類金屬與金屬復(fù)合材料是由兩種或多種不同種類的相容性材料通過物理方法合成的具有多相結(jié)構(gòu)的金屬材料，具有與金屬相似的特性，如導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，抗氧化，抗腐蝕等。按照非金屬相的形態(tài)和分布，金屬與金屬復(fù)合材料可以分為金屬層狀復(fù)合材料、彌散強化金屬復(fù)合材料、顆粒增強金屬復(fù)合材料和金屬纖維復(fù)合材料四類。鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.1材料分類復(fù)合材料的推廣應(yīng)用對于我國鐵路貨車的發(fā)展有著積極作用。早在20世紀，復(fù)合鋼板材料就在冰醋酸罐車上得到了應(yīng)用，其具有不銹鋼的性能，而價格比純不銹鋼低很多，因此備受用戶歡迎，但復(fù)合板制造工藝相對復(fù)雜，焊接程序煩瑣，因此未進行擴大使用。近年來，我國鐵路貨車發(fā)展步伐加快，鐵路貨車新技術(shù)得到快速發(fā)展及應(yīng)用，復(fù)合材料作為一種性能好而成本相對低的新型材料，必將在鐵路貨車的發(fā)展中得到大量應(yīng)用。此外，既有車輛改造時，采用復(fù)合材料可發(fā)揮其成本優(yōu)勢，全面提高貨車整體性能。鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.1材料分類竹木復(fù)合層積材是一種竹材與木材的復(fù)合材料，它總共分為3層，上、下表面層為高密度竹簾膠合板，芯層為木板。竹簾膠合板是由用竹篾編織而成的竹簾經(jīng)過浸膠、干燥、組坯、熱壓、砂(刨)削等工序制成的結(jié)構(gòu)緊密的薄板。由于其強度和硬度很高，因此將其用作表層材料可以大幅度提高產(chǎn)品的耐磨損性能和耐候性能，使產(chǎn)品具有較長的使用壽命。芯層木板是由馬尾松或性能相當(dāng)?shù)钠渌讲?直徑80mm以上)經(jīng)干燥、定厚刨削、銑邊、拼板等工序制成的薄板?！啊?鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例竹木復(fù)合層積材竹木復(fù)合層積材表面強度、硬度高，中間層較輕、較軟，這是因為該板材利用了竹膠板的高強度、高硬度、耐磨損、抗紫外線、耐腐蝕等特性，同時中間采用木材使材料整體具有較小的復(fù)合密度，中間層可以采用小徑木材薄板通過粘接制作成的較厚的板材，木材分為2～3層，可以避免因木板缺陷導(dǎo)致的局部強度下降問題，同時還可以使板材的人釘性能和握釘力得到很好的保證。“”1鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例竹木復(fù)合層積材我國鐵路平車地板用竹木復(fù)合層積材的各項物理力學(xué)性能指標(biāo)均能達到或超過目前主型平車木地板的性能指標(biāo)，這種材料用來裝載坦克等軍用裝備具有良好的適應(yīng)性，其表面抗碾壓性能優(yōu)于松木。目前，70t級平車與P。型棚車地板已部分采用竹木復(fù)合層積材。“”1鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例竹木復(fù)合層積材目前在用的濃硝酸罐車均采用純鋁材質(zhì)，主要車型有GAL、GH、GH40LK等。由于純鋁的強度很低，因此應(yīng)用于60t級罐車上已經(jīng)暴露出強度不足等問題。70t級罐車考核要求較60t級罐車又提高了，單純采用純鋁材料難以滿足運用要求?！啊辫F路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例2罐車用鋁+鋁合金復(fù)合材料鋁合金材料雖然強度稍高，但不耐濃硝酸腐蝕；特種不銹鋼雖然耐濃硝酸腐蝕，但市場價格高昂，難以推廣應(yīng)用，采用純鋁+鋁鎂合金復(fù)合板罐車裝運濃硝酸，可綜合純鋁的耐腐蝕性及鋁合金材料的高強度，從而解決純鋁強度不足的問題。目前純鋁+鋁鎂合金復(fù)合材料已經(jīng)用于70t級濃硝酸罐車試制。“”鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例2罐車用鋁+鋁合金復(fù)合材料用不銹鋼復(fù)合鋼板來代替現(xiàn)有普通碳鋼能很好地解決制動缸內(nèi)壁腐蝕問題。不銹鋼復(fù)合鋼板是碳鋼基層與不銹鋼復(fù)層結(jié)合而成的復(fù)合鋼板，其主要特點是碳鋼和不銹鋼形成牢固的冶金結(jié)合，可以進行熱壓、冷彎、切割、焊接等各種機械加工，有良好的工藝性能。不銹鋼復(fù)合鋼板的基層材料可以使用10、Q235B、16MnR、20R等各種普通碳素鋼和專用鋼，復(fù)層材料可以使用0Cr18Ni9、316L、1Cr13和雙相不銹鋼等各種牌號的不銹鋼?！啊辫F路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例3不銹鋼復(fù)合鋼板不銹鋼復(fù)合鋼板作為一種資源節(jié)約型的產(chǎn)品，可以減少貴重金屬的消耗，大幅度降低工程造價，實現(xiàn)低成本和高性能的完美結(jié)合，有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、鹽業(yè)、水利、電力等。“”鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例3不銹鋼復(fù)合鋼板不銹鋼冶金復(fù)合管是以碳素鋼無縫鋼管為基層，以薄壁不銹鋼管為覆層，界面采用冶金結(jié)合方式，使用覆層連續(xù)均勻覆于基層鋼管內(nèi)壁所形成的復(fù)合管材料(以下簡稱復(fù)合管),復(fù)合管外層為低碳鋼無縫鋼管，內(nèi)層為不銹鋼焊接管，采用內(nèi)壓熱擴散技術(shù)制造，內(nèi)、外層界面結(jié)合強度高，外壁焊接性能好，內(nèi)壁耐腐蝕性強。與不銹鋼管相比，復(fù)合管經(jīng)濟性好，主要用于車輛制動管系的制造?！啊?不銹鋼冶金復(fù)合管鐵路貨車設(shè)計與制造7.5.2應(yīng)用實例低合金鑄鋼（B+、C、E級鑄鋼）6鐵路貨車設(shè)計與制造搖枕、側(cè)架是貨車轉(zhuǎn)向架的重要承載部件，具有很高的強度和安全性要求。在貨車重載、提速以后，搖枕、側(cè)架的材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝都有了較大提升。同時，通過整體芯鑄造、射線探傷等手段，大幅提升了安全可靠性。7.6.1材料性能鐵路貨車設(shè)計與制造鑄鋼材料先由原來的ZG230-450(ZG25)鑄鋼(抗拉強度≥450MPa)升級為B級鑄鋼(抗拉強度≥485MPa),又由B級鑄鋼升級為采用精煉工藝的B+級鑄鋼(抗拉強度≥550MPa),B+級鑄鋼(ZG25MnCrNi)是在B級鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型低合金鑄鋼。與B級鑄鋼相比，B+級鑄鋼增加了對Cr元素含量的要求，C、Si、Mn元素含量略有調(diào)整，鑄造性能、焊接性能與冶煉工藝基本相當(dāng)，而屈服強度提高了32.7%。7.6.1材料性能鐵路貨車設(shè)計與制造

7.6.1材料性能其中，ZG24SiMnVTi系鑄鋼材料采用正火+回火的熱處理方式，鋼材料的強度和塑性達到了AAR對C級鋼的要求，ZG25MnCrNiMoC級鋼采用正火+回火的熱處理方式，克服了ZG24SiMnVTi鑄鋼的鑄造性能差、可焊性不好和裂紋敏感等缺點，具有良好的機械性能和焊接性能，ZG32MnMoNiCu鋼車鉤材料含有Mo、Ni、Cu等合金元素，采用淬火+回火的熱處理方式，屬于調(diào)質(zhì)C級鋼。鐵路貨車設(shè)計與制造7.6.1材料性能鐵路貨車設(shè)計與制造為了適應(yīng)鐵路貨車快速發(fā)展的需求，我國根據(jù)美國AAR-M-201標(biāo)準研制了E級鋼(ZG25MnCrNiMo)材料，1991年開始應(yīng)用于大秦線運煤專用車16、17型車鉤的生產(chǎn)，后來又應(yīng)用于大容量緩沖器箱體的生產(chǎn)，2006年開始逐步推廣生產(chǎn)E級鋼車鉤，以滿足貨車重載提速的要求。采用E級鋼鑄造的16、17型車鉤鉤體的破壞強度達到4005kN,滿足我國萬噸重載貨物列車的牽引要求。7.6.1材料性能鐵路貨車設(shè)計與制造B+級鋼主要應(yīng)用于新造貨車轉(zhuǎn)K5、K6、K7型轉(zhuǎn)向架的搖枕、側(cè)架等，提高了搖枕、側(cè)架的強度，增加了轉(zhuǎn)向架的強度儲備與安全系數(shù)，對鐵路貨車行車安全有重大意義。C80B型不銹鋼運煤敞車的心盤座材料也采用了B+級鋼。采用C級鋼鑄件的零部件主要有70t級貨車的前、后從板座及C80B型不銹鋼運煤敞車的沖擊座等。采用E級鋼鑄件的零部件主要有16、17型車鉤，鉤尾框，牽引桿及大容量緩沖器箱體等。7.6.2應(yīng)用實例非金屬材料7鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.1

材料性能非金屬材料通常指由非金屬元素或化合物構(gòu)成的材料，分為三大類：有機非金屬材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是無機化學(xué)和有機化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，以天然的礦物、植物、石油等為原料，制造和合成了許多新型非金屬材料，如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂(塑料)、合成纖維等。這些非金屬材料具有各種優(yōu)異的性能，為天然的非金屬材料和某些金屬材料所不及，在機械、工程等領(lǐng)域中的用途不斷擴大，并迅速發(fā)展。非金屬材料在防腐蝕、密度、非導(dǎo)電等方面具有優(yōu)勢。隨著鐵路貨車新技術(shù)的發(fā)展，非金屬材料日益增多，在新車型開發(fā)過程中，應(yīng)根據(jù)車輛零部件的使用要求，優(yōu)先選取非金屬材料，使車輛達到自重小、使用壽命長、便于維修等設(shè)計目標(biāo)。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.1

材料性能非金屬材料具有較高內(nèi)阻，對高頻振動的減振以及隔音性有良好的效果；非金屬材料的彈性模量比金屬小得多，采用這種材料可以得到較大的彈性形變，容易實現(xiàn)預(yù)想的良好的非線性特性。此外，采用非金屬材料，可自由確定零件形狀；可避免金屬件之間的磨耗，安裝、拆卸簡便，并無需潤滑，有利于降低成本；可減輕車輛自重。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.1

材料性能為改善車輛的動力學(xué)性能，降低磨耗部位的磨耗量，減少維修工作量，延長車輛使用壽命，滿足鐵路貨車提速重載的要求，鐵路貨車研制單位加強了非金屬材料在貨車上的應(yīng)用研究。1997年，轉(zhuǎn)K3型焊接構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架在軸箱定位裝置上采用了橡膠件，保證了該轉(zhuǎn)向架既有較高的臨界速度，又有良好的曲線通過性能。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.2

應(yīng)用實例減振器的立柱磨耗板、斜楔主磨耗板和旁承磨耗板首次用高分子合成材料，心盤磨耗盤首次采用尼龍材料，試驗和運行考核表明，轉(zhuǎn)向架摩擦系數(shù)更穩(wěn)定，耐磨性更好，提高了免檢的走行公里數(shù)，降低了維修成本。為了使車體和轉(zhuǎn)向架之間有合適的回轉(zhuǎn)阻力，在轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K3、轉(zhuǎn)K4、轉(zhuǎn)K5及轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的設(shè)計中采用常接觸彈性旁承，提高了車輛高速運行的穩(wěn)定性。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.2

應(yīng)用實例該旁承具有較高的強度、柔性和耐久性，滿足了轉(zhuǎn)向架旁承承受高負荷的要求。常接觸彈性旁承已在鐵路貨車上大量推廣使用。軸箱橡膠彈性裝置的采用實現(xiàn)了軸箱一系懸掛方式，可減少簧下質(zhì)量，降低輪軌垂向動作用力，降低輪軌磨耗。彈性交叉支撐裝置依靠橡膠件的彈性為轉(zhuǎn)向架提供一定的抗菱剛度，提高了轉(zhuǎn)向架抗菱形變形能力。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.2

應(yīng)用實例經(jīng)過長時間運用經(jīng)驗的積累，高分子耐磨材料現(xiàn)已推廣應(yīng)用到制動梁端頭、車鉤鉤尾框托板磨耗板、緩沖器、從板磨耗板、車鉤支承座、手制動滑輪、制動管卡等部位，改善了磨耗狀況，減少了檢修工作量。高摩合成閘瓦替代普通鑄鐵閘瓦后，在達到同樣的制動力時，可以減小閘瓦上的正壓力，可以采用直徑較小的制動缸及較輕巧的制動系統(tǒng)，同時減輕了車輛自重，降低了對車輪的磨損和熱影響。另外，采用彈性膠泥的新型緩沖器提高了容量，滾動軸承采用塑鋼軸承保持架提高了耐磨性能，延長了使用壽命。鐵路貨車設(shè)計與制造7.7.2

應(yīng)用實例鐵路貨車用鋼材的發(fā)展趨勢8鐵路貨車的生產(chǎn)正在由單一品種、大批量向多品種、小批量的方向發(fā)展，鐵路貨車的出口也將不斷地增加，這意味著對鐵路貨車的性能參數(shù)和制造水平的要求也將越來越高。與此同時，對鐵路貨車用材的品種和性能也會有更多、更高的要求。從目前生產(chǎn)情況和長遠角度分析，鋼材的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1.耐大氣腐蝕性2.機械性能3.焊接性能4.熱敏感性5.強度系列化6.型鋼專用化7.表面處理技術(shù)8.新型耐候鋼鐵路貨車應(yīng)用環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)耐候鋼(09CuPTiRe和09CuPCrNi)的耐大氣腐蝕性能只能達到普通結(jié)構(gòu)鋼的2倍左右，即使配合涂漆還是無法徹底解決鋼板在使用過程中的銹蝕問題，不能滿足鐵路貨車壽命期25年內(nèi)免截換的要求。Q450NQR1是現(xiàn)階段我國鐵路貨車的主要用鋼，其耐大氣腐蝕性不比09CuPCrNi高。因此，提高耐大氣腐蝕性是我國鐵路貨車用耐候鋼未來發(fā)展的主要方向之一。7.8.1耐大氣腐蝕性鐵路貨車設(shè)計與制造開發(fā)增加少量的合金元素，通過微合金化元素調(diào)整，在成本增加不多的情況下，獲得更高耐腐蝕性(在目前耐候鋼的基礎(chǔ)上再提高1倍),并具有優(yōu)良的低溫韌性和焊接性能的耐候鋼成為一種比較可行的解決方式。如美國的Mayari-R鋼，通過微合金化元素調(diào)整，所獲得耐候鋼的耐腐蝕性是普通鋼的3～6倍。7.8.1耐大氣腐蝕性鐵路貨車設(shè)計與制造Q450NQR1高強度耐候鋼在我國70t級、80t級鐵路貨車上應(yīng)用廣泛，很好地滿足了我國鐵路貨車的發(fā)展需要。目前，我國正在研究采用微合金化元素優(yōu)化方法提高Q450NQR1耐候鋼的耐腐蝕性，預(yù)計耐腐蝕性將會在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高30%以上。7.8.1耐大氣腐蝕性鐵路貨車設(shè)計與制造此外，不同耐候性元素在不同環(huán)境下的抗腐蝕作用不一樣，例如加入Mo對降低工業(yè)大氣腐蝕速率有效，但對海洋性大氣的抗腐蝕作用不明顯。因此，根據(jù)腐蝕環(huán)境的不同，向?qū)Ｓ眯?、特殊用途化發(fā)展耐候鋼，同時調(diào)整其成分體系，以提高所加入耐候性元素的有效性和應(yīng)用效率。耐海水腐蝕鋼、耐海洋性氣候腐蝕鋼、耐酸性氣候腐蝕鋼和耐熱帶氣候腐蝕鋼等專用鋼種是這一類鋼種的代表。7.8.1耐大氣腐蝕性鐵路貨車設(shè)計與制造1.強度等級Q450NQR1的屈服強度為450MPa,其強度等級基本能夠滿足鐵路貨車的發(fā)展需求。因為鐵路貨車設(shè)計時，強度只是其考核標(biāo)準之一，提高材料強度的最大目的就是降低車輛自重，而降低自重就要使鋼材厚度減薄，鋼材厚度