SUS301L系列不锈钢在轻量化城轨车体上的应用

摘要：本文在综合分析SUS301L系列不锈钢主要特性的基础上，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

0 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在该系列不锈钢中的选用。

1 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，后两者是车体结构加工成型的必要条件。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。

1.1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见表1 ^[1]。

表1  SUS301L不锈钢的化学成分

1.2 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^[2]。

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。

1.3 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，具体见表2。

表 2  五种不同强度级别SUS301L不锈钢的机械性能

在形变强化及后续冷加工成型过程中，奥氏体会不断转变成马氏体，由于马氏体硬而脆，它的含量增加在提高钢的强度同时，会降低其塑性。这种现象会增大产品开裂的可能性，从而使不锈钢板的加工总变形率限定在一定范围之内。强度级别越高的钢板在形变强化过程中冷压延率也越高，而在后续的冷弯、折弯等工艺中，其安全范围内的冷加工变形率会相应减少。因而在城轨车体选用SUS301L不锈钢板材时，除了要符合标准规定的屈服强度和抗拉强度的下限外，还需另行规定其上限。其中规定下限是为了保证达到所要求的强度和刚度，而规定上限是为了设定一个强度的最大值以得到合适的后续冷加工性能。

1.4强度等级与适用范围

五种不同强度级别的SUS301L不锈钢材料，其化学成分和物理性能是一致的，显著的区别在于形变强化过程中压延率不同而产生的马氏体含量不同，导致力学性能也有较大差异。而马氏体组织的不锈钢在电弧焊过程中强度会受影响，马氏体越多，焊接性能越差。因此这些不同强度级别的不锈钢，其适用的焊接和冷加工方式也不同，具体情况见下表3。

表3 五种强度级别的SUS301L不锈钢适合的焊接方式和冷加工方式

2车体的选材原则

2.1 车体材料的选用思路与原则

通过上面对SUS301L系列不锈钢材料相关性能的分析，可推出轻量化城轨车体选择材料的合理步骤：首先要考虑该零部件的形状及尺寸规格，它能采取的加工方式限定了材料类型；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，这样进一步限定了材料选择范围；最后在满足车体的强度、刚度设计要求下对车体中各零部件的板厚进行优化组合选用。选择过程中尤其是在有几种材料可选择的情况下，须考虑以下三个原则：

1、适用性原则：选用材料的强度级别、焊接性能、可加工性及尺寸规格等，需满足其零部件的使用性能及在各种工况中所承担的载荷类型要求。

2、安全性原则：材料选用所需的数据，直接来自车体的强度及刚度的计算，所有结果应符合国际、国家和行业的有关标准对许应力安全系数的规定。

3、经济性原则：在可以满足使用性能的几种材料中，选择成本最低或加工最方便的材料。

2.2 材料许应力安全系数的选取

车体的结构设计中，安全首先必须得到保证。但许应力的安全系数并非越大越好，而是要综合考虑经济性与安全性，有一个合理的取值。

日本标准JIS E 7105-2006<铁道车辆车体结构强度试验方法》直接使用材料的屈服强度作为许用应力，即安全系数取为1.0；欧洲规范EN12663-2000《铁路应用铁路机车车辆车体的结构要求》要求许用应力安全系数为1.15；行业标准TB／T 1335-1996《铁道车辆强度计算及试验鉴定规范》规定客车车体许用应力的安全系数为1.5；国家标准GB／T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》对安全系数并无具体数值规定。

考虑到我们国产SUS301L不锈钢在材质、冷加工成型及焊接工艺水平方面与日本相比还有一定差距，出于安全性的考虑，在车体设计时应该留有一定的安全裕量。因此我们设计的某B型轻量化不锈钢车体选材时，确定不同工况下采用不同的安全系数，即两种最恶劣的复合工况（压缩800kN与超载工况和拉伸640kN与超载工况）下安全系数按取日本标准1.0，其它工况都按EN12663取1.15。

3 SUS301L不锈钢在车体上的应用

3.1 车体的结构特点

不锈钢车体采用的是薄壁筒形结构，即由整个车体结构承担强度。一般直接承受载荷是底架边梁及横梁、侧墙立柱、门立柱、车顶边梁及弯梁等骨架，然后再传递到薄板上，形成外板+骨架的壳体承载结构。可见结构上主要载荷中的轴向力成分由柱、梁承担，而剪切力成分则由外板、车顶板、地板等薄板承担^[3]。

车体骨架是车体强度和刚度的主要提供者，为满足其刚度要求，需把板材或带材加工成具有一定截面形状的梁或柱状结构。车顶弯梁采用帽型材或乙型材，要经折弯后再拉弯成型，故选择SUS301L-ST；空调支撑梁也是帽型结构，因密封性要求需与空调地板弧焊，故选择焊接性能较好的SUS301L-LT；底架横梁是槽钢的结构，需冲压众多孔结构以安装车下设备及布线，部分位置需弧焊连接，因此选择强度不太高而焊接性能较好的SUS301L-DLT，但其厚度应足够大。

车体外板尤其是侧墙板对表面的平整度要求很高，一般选择残余应力小且材质较软的SUS301L-LT或SUS301L-DLT不锈钢；波纹顶板和波纹地板需要足够的刚度承载一定重量，但因减重需要其厚度一般只有0.6或0.8mm，因此专门开发了强度较高又适合辊压加工的SUS301L-MT带钢。

3.2 车体的应力分布状态

车体静强度分析估算出来的应力状态也是选择材料的主要依据之一。不同工况下，车体各部件的应力集中状况也不同。如在超员状态下（如图1），车顶的侧顶板、弯梁和侧墙的门角、窗角应力较大，其余部位应力较小，而在拉伸640kN与超载复合工况下（如图2），底架边梁、波纹地板及波纹顶板处的应力也迅速增加，甚至超过超员状态下的应力集中的部位。因此，选用材料时要确保在各个工况条件下都满足车体的安全要求。

  图1 AW3工况下车体应力云图     图2 AW3+640kN拉伸工况下车体应力云图

根据EN12663标准计算各种工况的结果，得出底架边梁、车顶边梁、车顶弯梁，侧顶板、波纹地板、波纹顶板等部件所受的载荷应力较大.从图2中可看出，部分区域的应力达到了350 MPa以上，这些区域的零件须选择SUS301L-ST及更高强度级别的材料。其中车顶边梁和底架边梁为车体通长结构，受力分布不均，为达到减重效果和保证安全性，应选择SUS 301L-HT材料。要注意的是在这些应力较高的部位，要尽量避免电弧焊对结构的影响。

空调机组安装座等部件应力相对较小，且接口连接处要利用熔焊进行密封处理，其外板和骨架选择SUS301L-LT或SUS301L-DLT不锈钢比较合适。

3.3 SUS301L不锈钢在车体上的具体应用  

某B型地铁不锈钢车体项目中，为了降低制造成本和提高工艺性，对焊接强度要求高的端部结构采用普通碳钢和耐候钢，对强度要求不高的司机室骨架结构采用适合折弯或冲压成型的SUS304不锈钢，其余结构则都采用SUS301L不锈钢。根据车体的结构特点和选材原则，基本确定了各零部件具体材料，以下表格是此次设计的车体结构主要零部件与SUS301L不锈钢材料类型的对应表。最后得到强度和刚度都满足设计要求的带司机室的车体重量为7.3吨，与传统的碳钢车体自重约9.5吨相比，自重减少了约23%，轻量化效果较明显。

4 展望

SUS301L不锈钢由于其优异的综合性能和产品的系列化，非常有利于城轨车辆车体轻量化设计。同时，为了获得更高性能和低成本的产品，国内外相关科研单位仍不断进行开发探索。

目前开发的主要成果是在SUS301L不锈钢基础开发了高氮的SUS301LN不锈钢，由于高含氮量使它具备高强度与高韧性，更适合冷加工成型^[4]。国外已将它应用于铁道客车的生产，进一步提高了车辆的轻量化和免维修。

此外，利用脉冲激光和电脑辅助设计开发的彩色不锈钢的制造技术，非常适合奥氏体不锈钢，且费用低，色彩稳定，能承受一般的模压、拉延和弯曲等加工工序。这种技术若应用到SUS301L不锈钢中，能给不锈钢车体外观多样化选择带来希望。