论文部分内容阅读
摘 要：铝合金由于具有质量轻、强度高抗腐蚀性能强等优点广泛运用于动车组制造中。由于材料的成分、加工工艺与性能之间存在紧密的关系，本文综述各种铝合金材料的成分、加工工艺和性能，指出其制造与服役性能中存在的问题与发展方向。
关键词：动车组 铝合金 服役性能
引言：
高速列车启动快、速度高、安全舒适、振动与噪声小等优点，列车运行速度提高后， 运行阻力增大、轮轨间作用力和噪声剧增。列车轻量化对提高列车运行速度延长车辆和线路的寿命具有重要意义。为了降低重量、增强抗腐蚀性能和隔音性能，列车曾经相继使用了如耐候钢.、不锈钢以及铝合金等材料。其中铝合金材料由于具有高的比强度、比刚度、良好的耐蚀性获得了最为广泛的应用。
目前国内高速列车主要应用了以下几种铝合金：2014为代表的2系铝合金，5083为代表的5系铝合金、6N01为代表的6系铝合金以及7N01为代表的7系铝合金。并通过各种不同加工工艺获得不同的使用性能。各系列铝合金具有不同的成分，并且加工制造工艺不同，本文将对其进行概述，分析典型铝合金性能以及存在的问题指出其发展方向。已经应用在动车组列车上的铝合金牌号有Al-Cu-Mg-Si2014、Al-Mg5083、Al-Mg-Si6N01、 Al-Zn-Mg7N01。各种牌号铝合金材料主要成分差别在Cu，Mg，Zn，Si四种元素的含量。材料的性能除了受成分的显著影响外还受到热处理工艺、成形工艺、拉伸性能的影響。合金系列Al-Cu2014-T6采用锻造工艺；Al-Mg5083-O、Al-Mg-Si6N01S-T5 Al-Mg-Si6005A-T6采用挤压或轧制工艺；Al-Zn-Mg7N01-T5采用锻造或挤压。五种合金均作为结构件，应用于铝合金车体及转向架上部分承载结构件上，其中2014铝合金强度最高，用来设计制造承受较大载荷的部件，其他四种合金强度值相当一般用来制造车体顶部、侧墙、端墙、地板、吊钩等结构。除了强度值的要求，制造工艺也决定了合金的应用范围，如Al-Mg-Si合金一般采用挤压成形，适合制作大尺寸复杂截面的型材。
2××× 铝合金
2系合金为高强度锻铝合金，其强化相为CuAl2 （θ）， Al2CuMg （S） and Al3Mg2 （β），可以进性热处理强化，具有高强度和优异的热加工性能，便于锻造，由于合金中的铜元素含量较高，使得其乃是性能较差，具有晶间腐蚀和应力腐蚀的倾向。其焊接性能较好，切削加工性能较好。一般用来制造要求高强度、高硬度、并承受高载荷的构件。
国外2014材料对应牌号有A2014（JIS），EN AW2014（EN），AlCuSiMn/3.1255（DIN），2014（AA）等。
2系铝合金一般在热处理之后产生较明显的腐蚀敏感性，所以应进行表面阳极氧化处理和表面涂漆防止产生断裂失效。
5××× 系列铝合金
5083合金为Al-Mg系防锈铝合金，由于第二相β（Mg2Al3）比较难以析出形核，析出强化效果不明显，所以不可热处理强化；并且析出相容易聚集在晶界处并对应力腐蚀比较敏感，不宜进行时效处理。同时其强度比较低，而合金的塑形较好，其耐蚀性和焊接性较好，退火状态时切削加工性很差，5083合金常用来制造要求中等强度并具有良好耐蚀性的焊接部件。
国外5083材料对应牌号有A5083（JIS），EN AW5083（EN），AlMg4.5Mn/3.3347（DIN），5083（AA）等。
由于5083合金优良的耐蚀性，列车的无涂装车体曾经大量使用其制造。但由于其挤压成形性能不如6系铝合金，所以后来逐渐被6系铝合金所代替，目前只有少量部位采用5083合金板材制造。
6××× 系列铝合金
6系铝合金属于Al-Mg-Si系合金。可以通过第二相β’（Mg2Si）进行析出强化，所以为可热处理强化铝合金。此系列铝合金具有优良的挤压加工性能并且具有较宽的淬火温度、低淬火敏感性，广泛应用于制造大型复杂挤压型材，型材可以通过淬火与人工时效进行强化。其中6N01合金来源于6005合金，两种合金用于制造高速列车上空心结构车体的各部分。
6005与 6N01大型型材主要通过焊接工艺组装组成车体结构，但是传统的焊接工艺方式焊前需要进行复杂的准备与处理工艺，并且容易造成焊接缺陷与较大的焊接残余应力和焊接变形。比如熔焊铝合金车体焊缝中存在气孔使得接头的疲劳性能严重降低，甚至在焊接组装过程中形成了热裂纹导致产品报废。如今搅拌摩擦焊在铝合金结构的连接方面已经发展比较成熟，由于其无焊接残余应力，不需要焊前打磨和开坡口，不会产生气孔与焊接裂纹所以具有非常大的发展潜力。
7××× 系列铝合金
7系铝合金属于Al-Zn-Mg合金. 目前常温服役强度最高的铝合金系列，其可以通过η （MgZn2）沉淀相进行强化，所以属于可热处理强化合金。常用语制造承受较大载荷的结构部件，如梁、框架和杆等。
由于 7N01合金良好的温成形性能，较宽的淬火温度范围以及 良好的可焊性所以7N01S-T5常用语制造梁和各种框架。但由于其具有应力腐蚀敏感性，特别是焊接结构的焊缝处，应当特别注意应力腐蚀开裂的倾向。
综述：
铝材具有明显的减重效果、节能效果和环保效果，有助于提高交通运输工具行驶的平衡性、舒适性和安全性，是实现交通运输业轻量化、现代化、高速化的最理想的关键材料。随着高速列车对服役性能以及可靠性要求的提高，新型铝合金材料一方面将朝着高性能方向发展，比如：高强度、高韧性和抗应力腐蚀性能；另一方面，将朝着具有良好的加工工艺性能方向发展，比如：优异的可焊性、优良成形性以及成形精度等方面。
铝材在轨道车辆上的应用范围和比例日增，全铝化的现代交通运输工具大量涌现。交通运输业已成为铝材的第一大用户，铝材的高速发展和广泛应用将逐渐替代钢铁成为交通运输业的基础材料。
关键词：动车组 铝合金 服役性能
引言：
高速列车启动快、速度高、安全舒适、振动与噪声小等优点，列车运行速度提高后， 运行阻力增大、轮轨间作用力和噪声剧增。列车轻量化对提高列车运行速度延长车辆和线路的寿命具有重要意义。为了降低重量、增强抗腐蚀性能和隔音性能，列车曾经相继使用了如耐候钢.、不锈钢以及铝合金等材料。其中铝合金材料由于具有高的比强度、比刚度、良好的耐蚀性获得了最为广泛的应用。
目前国内高速列车主要应用了以下几种铝合金：2014为代表的2系铝合金，5083为代表的5系铝合金、6N01为代表的6系铝合金以及7N01为代表的7系铝合金。并通过各种不同加工工艺获得不同的使用性能。各系列铝合金具有不同的成分，并且加工制造工艺不同，本文将对其进行概述，分析典型铝合金性能以及存在的问题指出其发展方向。已经应用在动车组列车上的铝合金牌号有Al-Cu-Mg-Si2014、Al-Mg5083、Al-Mg-Si6N01、 Al-Zn-Mg7N01。各种牌号铝合金材料主要成分差别在Cu，Mg，Zn，Si四种元素的含量。材料的性能除了受成分的显著影响外还受到热处理工艺、成形工艺、拉伸性能的影響。合金系列Al-Cu2014-T6采用锻造工艺；Al-Mg5083-O、Al-Mg-Si6N01S-T5 Al-Mg-Si6005A-T6采用挤压或轧制工艺；Al-Zn-Mg7N01-T5采用锻造或挤压。五种合金均作为结构件，应用于铝合金车体及转向架上部分承载结构件上，其中2014铝合金强度最高，用来设计制造承受较大载荷的部件，其他四种合金强度值相当一般用来制造车体顶部、侧墙、端墙、地板、吊钩等结构。除了强度值的要求，制造工艺也决定了合金的应用范围，如Al-Mg-Si合金一般采用挤压成形，适合制作大尺寸复杂截面的型材。
2××× 铝合金
2系合金为高强度锻铝合金，其强化相为CuAl2 （θ）， Al2CuMg （S） and Al3Mg2 （β），可以进性热处理强化，具有高强度和优异的热加工性能，便于锻造，由于合金中的铜元素含量较高，使得其乃是性能较差，具有晶间腐蚀和应力腐蚀的倾向。其焊接性能较好，切削加工性能较好。一般用来制造要求高强度、高硬度、并承受高载荷的构件。
国外2014材料对应牌号有A2014（JIS），EN AW2014（EN），AlCuSiMn/3.1255（DIN），2014（AA）等。
2系铝合金一般在热处理之后产生较明显的腐蚀敏感性，所以应进行表面阳极氧化处理和表面涂漆防止产生断裂失效。
5××× 系列铝合金
5083合金为Al-Mg系防锈铝合金，由于第二相β（Mg2Al3）比较难以析出形核，析出强化效果不明显，所以不可热处理强化；并且析出相容易聚集在晶界处并对应力腐蚀比较敏感，不宜进行时效处理。同时其强度比较低，而合金的塑形较好，其耐蚀性和焊接性较好，退火状态时切削加工性很差，5083合金常用来制造要求中等强度并具有良好耐蚀性的焊接部件。
国外5083材料对应牌号有A5083（JIS），EN AW5083（EN），AlMg4.5Mn/3.3347（DIN），5083（AA）等。
由于5083合金优良的耐蚀性，列车的无涂装车体曾经大量使用其制造。但由于其挤压成形性能不如6系铝合金，所以后来逐渐被6系铝合金所代替，目前只有少量部位采用5083合金板材制造。
6××× 系列铝合金
6系铝合金属于Al-Mg-Si系合金。可以通过第二相β’（Mg2Si）进行析出强化，所以为可热处理强化铝合金。此系列铝合金具有优良的挤压加工性能并且具有较宽的淬火温度、低淬火敏感性，广泛应用于制造大型复杂挤压型材，型材可以通过淬火与人工时效进行强化。其中6N01合金来源于6005合金，两种合金用于制造高速列车上空心结构车体的各部分。
6005与 6N01大型型材主要通过焊接工艺组装组成车体结构，但是传统的焊接工艺方式焊前需要进行复杂的准备与处理工艺，并且容易造成焊接缺陷与较大的焊接残余应力和焊接变形。比如熔焊铝合金车体焊缝中存在气孔使得接头的疲劳性能严重降低，甚至在焊接组装过程中形成了热裂纹导致产品报废。如今搅拌摩擦焊在铝合金结构的连接方面已经发展比较成熟，由于其无焊接残余应力，不需要焊前打磨和开坡口，不会产生气孔与焊接裂纹所以具有非常大的发展潜力。
7××× 系列铝合金
7系铝合金属于Al-Zn-Mg合金. 目前常温服役强度最高的铝合金系列，其可以通过η （MgZn2）沉淀相进行强化，所以属于可热处理强化合金。常用语制造承受较大载荷的结构部件，如梁、框架和杆等。
由于 7N01合金良好的温成形性能，较宽的淬火温度范围以及 良好的可焊性所以7N01S-T5常用语制造梁和各种框架。但由于其具有应力腐蚀敏感性，特别是焊接结构的焊缝处，应当特别注意应力腐蚀开裂的倾向。
综述：
铝材具有明显的减重效果、节能效果和环保效果，有助于提高交通运输工具行驶的平衡性、舒适性和安全性，是实现交通运输业轻量化、现代化、高速化的最理想的关键材料。随着高速列车对服役性能以及可靠性要求的提高，新型铝合金材料一方面将朝着高性能方向发展，比如：高强度、高韧性和抗应力腐蚀性能；另一方面，将朝着具有良好的加工工艺性能方向发展，比如：优异的可焊性、优良成形性以及成形精度等方面。
铝材在轨道车辆上的应用范围和比例日增，全铝化的现代交通运输工具大量涌现。交通运输业已成为铝材的第一大用户，铝材的高速发展和广泛应用将逐渐替代钢铁成为交通运输业的基础材料。