1.2.1 軌道車輛用材料發(fā)展特點

1.軌道客車材料應用發(fā)展情況

軌道客車以載客為目的，是動車組、普通客車及城軌地鐵的統(tǒng)稱，通常車體采用碳素鋼、不銹鋼及鋁合金三種材料。城軌地鐵時速120km以下，多為高強度不銹鋼材料，也有部分城市的車輛選擇鋁合金材料；普通客車時速120~200km，多為碳素鋼材料；動車組因速度等級高，多采用輕量化鋁合金材料。近幾年來，磁懸浮作為一種新的載運工具，進入軌道客車家族之中，尤其是時速600km高速磁懸浮，必將推動軌道交通領域新一輪的技術(shù)革命，目前采用鋁合金材料，未來擬采用纖維增強復合材料。不同材料車體技術(shù)指標對比情況見表1-1，軌道車輛車體材料應用情況以及發(fā)展趨勢如圖1-11、圖1-12所示。

（1）不銹鋼車體 不銹鋼車體（見圖1-13）采用板梁組合、整體承載、高強度冷作硬化不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，端部底架為中厚板碳素鋼焊接結(jié)構(gòu)。目前采用電阻點焊工藝為主、輔以電弧MAG焊的工藝模式。車輛具有無涂裝、免維護、耐蝕性好、安全性高及污染小的技術(shù)特點，同時存在氣密性差、變形控制難度大，工裝、模具數(shù)量多的不足，目前主要用于時速120km以下的城軌地鐵領域。

軌道車輛用不銹鋼材料主要為301L超低碳高強度冷作硬化不銹鋼薄板，常用厚度為0.6~5.0mm，部分指標需結(jié)合車輛制造特點進行嚴格控制，以保證材料良好的可加工性、結(jié)構(gòu)承載及綜合服役能力。不銹鋼材料用于軌道客車制造，應重點控制板型精度、易成形性和焊接性三項指標，譬如同一批次不同位置及不同批次間不銹鋼材料成分、組織及力學性能指標應穩(wěn)定。目前，國產(chǎn)不銹鋼材料缺乏面向運行環(huán)境的疲勞、耐蝕等服役性能數(shù)據(jù)，材料的成分、組織及性能的均勻性和穩(wěn)定性有待提高。

（2）鋁合金車體 鋁合金車體采用通長中空薄壁型材插接結(jié)構(gòu)，其底架為中厚鋁板及型材的框架結(jié)構(gòu)（見圖1-14）；采用全自動MIG焊接，部分位置受空間所限輔以半自動MIG焊的工藝模式；具有工藝簡單，自動化程度高，車體剛度、平面度、氣密性、輕量化效果好的技術(shù)特點；但存在防火性差、型材擠壓要求高的缺點；因此主要用于動車組車輛、部分城軌地鐵。

鋁合金車體采用5、6、7系型材及板材，常用厚度6.0mm以下。通過引進、消化、吸收再創(chuàng)新，已具備軌道車輛用鋁合金材料的國產(chǎn)化能力，形成國家標準并在中國標準動車組中全面執(zhí)行。三類材料應用的主要問題為5系材料強度低、6系材料接頭軟化、7系材料耐應力腐蝕能力有待提高等。因此需結(jié)合不同運用環(huán)境夯實材料服役性能數(shù)據(jù)，提升其綜合服役能力及質(zhì)量穩(wěn)定性。

（3）碳素鋼車體及構(gòu)架 碳素鋼車體及構(gòu)架（見圖1-15）多采用耐候鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼材料，強度低、重量大，耐蝕性能差，構(gòu)架綜合服役能力較差。碳素鋼作為一種經(jīng)濟性、工藝性好的材料，其應用發(fā)展的方向為：力學性能、耐蝕性能需進一步提高，同時保證其良好的焊接性，以提升車輛的綜合服役能力和輕量化水平。

（4）碳纖維車體 纖維增強復合材料尤其是碳纖維材料，以其高強、高耐候、輕量化的優(yōu)異性能以及在航空、航天等領域的成熟應用，成為解決未來高鐵及時速600km高速磁懸浮列車進一步高強度化、輕量化問題的絕佳選擇。但其目前亟需解決的技術(shù)問題為：軌道車輛碳纖維材料的工程造價高，其性能評估、質(zhì)量評價、損傷修復、檢驗檢測以及連接技術(shù)體系尚未建立，技術(shù)研發(fā)滯后于軌道交通行業(yè)發(fā)展需求。碳纖維材料在軌道車輛中的應用實例如圖1-16 所示。

2.軌道貨車材料應用情況

目前，軌道貨車材料主要為耐候鋼，為了實現(xiàn)高速重載的目標，進入21世紀后，屈服強度級別為400MPa、450MPa、500MPa、550MPa的高強度耐候鋼系列問世。其中Q450NQR1鋼已經(jīng)廣泛應用于70t、80t級貨車制造，為貨車增加載重創(chuàng)造了條件。2005年開始，采用耐候性能更好的鋁合金和TCS鐵素體不銹鋼制造的C80型和C80B型運煤專用敞車投入大秦線運用。高強度不銹鋼、鋁合金及碳纖維復合材料具備輕量化的工程特點，未來也將會是鐵路貨車的重要發(fā)展方向。