鋁：最好的低溫結(jié)構(gòu)材料

文/ 王祝堂

高鐵車廂是用鋁材焊接的，有的高鐵線經(jīng)過(guò)零下三四十?dāng)z氏度的高寒地帶；南極科考船上的一些儀器、裝備與起居用品是以鋁材制造的，需要經(jīng)受零下六七十?dāng)z氏度的考驗(yàn)；由中國(guó)經(jīng)北極到歐洲的商船上有些裝備也是用鋁材制造的，其中的一部分露在外面，環(huán)境溫度也在零下五六十?dāng)z氏度；它們能在這樣的寒冷環(huán)境中正常運(yùn)轉(zhuǎn)嗎？沒(méi)問(wèn)題，鋁合金及鋁材是最不怕寒冷酷熱的。

鋁及鋁合金是最好的低溫材料，沒(méi)有低溫脆性，不像普通鋼材、鎳合金等那樣有明顯的低溫脆性，它們的強(qiáng)度性能雖然隨著溫度的降低而升高，但是塑性與韌性卻隨著溫度的下降而降低，即有明顯的低溫脆性?？墒卿X及鋁合金則大不一樣，沒(méi)有一絲絲低溫脆性，它們的一切力學(xué)性能均隨著溫度的降低而全面明顯上升，與材料的成分無(wú)關(guān)，不管是鑄造鋁合金還是變形鋁合金，也不管是粉末冶金合金，還是復(fù)合材料；與材料狀態(tài)也沒(méi)有關(guān)系，不管是加工狀態(tài)的，還是熱處理狀態(tài)的；也與錠坯制備工藝無(wú)關(guān)，不管是用鑄錠軋制的，還是用熔體連續(xù)鑄軋的或連續(xù)連軋的；與鋁的提取工藝更無(wú)關(guān)系，電解的、碳熱還原的、化學(xué)提取，通通都沒(méi)有低溫脆性；與純度也無(wú)關(guān)，不管是99.50%～99.79%的工藝純鋁，還是99.80%～99.949%的高純鋁、99.950%～99.9959%的超純鋁（Super Purity）、99.9960%～99.9990%的極純鋁（extreme purity）、＞99.9990%的超高純鋁等都沒(méi)有低溫脆性。有趣的是，另兩個(gè)輕金屬——鎂、鈦跟鋁一樣也沒(méi)有低溫脆性。

高鐵車廂鋁材有Al-Mg 系的5005 合金板材、5052合金板材、5083 合金板材及型材，Al-Mg-Si 系的6061合金板材及型材、6N01 合金型材、6063 合金型材，Al-Zn-Mg 系7N01 合金板材及型材、7003 合金型材。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。

不管哪種鋁合金，它的力學(xué)性能均隨著溫度的降低而上升，所以鋁材是一類絕妙的低溫結(jié)構(gòu)材料，火箭的低溫燃料（液氫、液氧）儲(chǔ)罐、液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船上與岸基儲(chǔ)罐、低溫化工產(chǎn)品容器、冷庫(kù)、冷藏車等都可以用鋁材制造。

在地球上跑的高速列車的車廂與車頭的結(jié)構(gòu)件凡是可用鋁合金制造的零部件都可以用現(xiàn)行的相應(yīng)鋁合金制造，不需要另辟蹊徑研究一種在高寒地區(qū)運(yùn)營(yíng)的廂體結(jié)構(gòu)鋁合金及其生產(chǎn)工藝，當(dāng)然如果能研發(fā)一種各項(xiàng)性能比6061 合金大10%左右的6XXX 合金，或比7N01 合金全面約大8%的7XXX 合金，那當(dāng)然是功勞很大的。

實(shí)際上，在我國(guó)黑龍江省，以及以后在內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、西藏自治區(qū)、青海省跑的高鐵對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)算不了“高寒”，不需要對(duì)合金成分作特殊處理，也不需要對(duì)材料生產(chǎn)工藝參數(shù)作專門(mén)調(diào)整。

只要為京張高鐵或以后為在其他寒冷地區(qū)運(yùn)營(yíng)的高鐵車輛廂體生產(chǎn)的鋁材性能符合中國(guó)GB、歐洲EN、日本JIS、美國(guó)ASTM 等標(biāo)準(zhǔn)要求，就是合格的產(chǎn)品，不需要采取特殊措施，以免加大成本。

1.車廂鋁合金的發(fā)展趨勢(shì)

在現(xiàn)在軌道車輛廂體制造和維護(hù)中用的板材合金有5052、5083、5454、6061 等合金，用的擠壓型材有5083、6061、7N01 等，此外一些新的合金諸如5059、5383、6082 等也有所應(yīng)用。它們都有良好的可焊性，焊絲為5356或5556合金，當(dāng)然最好是采用摩擦攪拌焊（FSW），不但焊接質(zhì)量高，而且不用焊絲。后來(lái)日本研發(fā)的7N01合金（Mn0.20～0.7、Mg1.0～2.0、Zn4.0～5.0，單位%），在軌道車輛制造中獲得廣泛應(yīng)用；德國(guó)在制造高鐵Trans Rapid 車廂時(shí)采用5005 合金板制作壁板，用6061、6063、6005 合金擠壓所用的型材?？傊钡侥壳盁o(wú)論是中國(guó)還是其他國(guó)家制造高鐵車輛基本上仍沿用這些合金。

2.200km/h～350km/h列車廂體鋁合金

我們可根據(jù)列車運(yùn)營(yíng)速度將廂體鋁合金分為：速度＜200km/h 的車輛用的可稱為第一代合金，它們是常規(guī)的合金，多用于制造城市軌道車輛廂體，如6063、6061、5083 合金等；第二代鋁合金如6N01、5005、6005A、7003、7005 合金等用于制造速度為200km/h～350km/h 的高鐵車輛廂體；第三代合金是6082、含鈧的鋁合金等。

除了6N01、7N01 合金（它們是日本合金，N 代表Nippon）外，還有7003 合金，它的Mg 含量比7N01 合金的低，是一種低Mg 的Al-Zn-Mg 合金，它的可焊性及強(qiáng)度與7N01 合金的相當(dāng)，并具有更高的可擠壓性能。日本東北和上越新干線、札幌地鐵大量采用7003、7N01 合金生產(chǎn)壁厚3mm 的寬幅型材。

6005A 合 金（Si0.50～0.9、Mg0.40～0.7、Mn 和Cr 0.12～0.50，%）是法國(guó)注冊(cè)的，與美國(guó)6005 合金相比，Mg 與Si 的含量相等，但增加了0.12%～0.50%的Mn的Cr，不但有與6063 合金相當(dāng)?shù)目蓴D壓性能，而且強(qiáng)度性能也有所提高。6N01 合金也如此，日本山陽(yáng)電化鐵路3050 型車輛廂體側(cè)板（寬507mm、壁厚2.5mm）、寬558mm 的地板，以及制造側(cè)板掛鉤、檐梁等的大型寬幅空心型材都是用6N01 合金擠壓的。

3.350ktm/h～450km/h 列車廂體鋁合金

這是廂體用的新一代鋁合金，列車速度高達(dá)450m/h，車輛須承受更大的外力，受到的震動(dòng)也更強(qiáng)烈，因此應(yīng)研發(fā)新一代輕量化高鐵鋁合金。

鈧是鋁及鋁合金最有效的晶粒細(xì)化劑，也是優(yōu)化鋁合金性能有效的元素之一，鈧的含量都＜0.5%，凡含有鈧的合金，不管含量多少都統(tǒng)稱鋁-鈧合金。Al-Sc 合金有強(qiáng)度高、塑性好、可焊性優(yōu)良、抗蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是艦船、航空航天器、反應(yīng)堆、國(guó)防軍工器械等領(lǐng)域選用的新一代鋁合金之一，當(dāng)然也可以用于制造鐵路車輛結(jié)構(gòu)。

不過(guò)向現(xiàn)行鋁合金添加鈧，對(duì)組織性能的改善如何，尚有待系統(tǒng)的研究，鈧是一種稀土元素，中國(guó)是世界上最大的鈧生產(chǎn)國(guó)，在Al-Sc 合金研究方面居世界前列，但總的來(lái)看還不如俄羅斯，在Al-Sc 合金研究與應(yīng)用方面俄羅斯是領(lǐng)跑者。東北輕合金有限責(zé)任公司、中南大學(xué)、航天材料及工藝研究所對(duì)Al-Sc 合金的研發(fā)作了許多工作，他們研究的“大尺寸5B70 鋁-鎂-鈧合金板材”獲2017年度中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，獲二等獎(jiǎng)的也有一項(xiàng)，為“航天用可焊高強(qiáng)Al-Zn-Mg-Sc 合金”。

4.6082 合金

繼6N01 合金普及以來(lái)，1972 年成型的6082 合金得到鐵路裝備制造部門(mén)的關(guān)注，此合金的強(qiáng)度介于7N01 合金與6N01 合金強(qiáng)度之間。6082-T5 方形管的抗拉強(qiáng)度Rm（噴霧在線淬火）符合底架梁的相應(yīng)要求。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)表明，此合金可以在相應(yīng)領(lǐng)域?qū)嵉貞?yīng)用。然而，若要在鐵路裝備部門(mén)廣泛推廣，仍需要做大量工作。對(duì)于30 年前曾被視為萬(wàn)無(wú)一失的鋁制列車的裝配節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，由于列車載重條件改變和結(jié)構(gòu)輕量化，已不適用于當(dāng)前的新型高速列車，但是這與高寒地區(qū)的溫度無(wú)關(guān)，因?yàn)榱阆聨资當(dāng)z氏度對(duì)鋁合金來(lái)說(shuō)真是“小試鋒芒”，算不了什么低溫，同時(shí)溫度越低，鋁結(jié)構(gòu)顯得越強(qiáng)韌。

5.泡沫鋁

高速列車具有軸重輕、頻繁加減速和超載運(yùn)行等特點(diǎn)，要求車體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度、剛度、安全、舒適的前提下盡可能輕量化。顯然，超輕泡沫鋁所具備的高比強(qiáng)、高比模、高阻尼等性能，與這些要求非常一致。國(guó)外對(duì)泡沫鋁在高速列車上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)地研究與評(píng)估，發(fā)現(xiàn)填充泡沫鋁的鋼管吸能本領(lǐng)比空管的高35%～40%，抗彎強(qiáng)度提高40%～50%，從而可使車廂立柱和隔板更堅(jiān)固，不易坍塌；用泡沫鋁填充機(jī)車頭部緩沖區(qū)，可提高吸收沖擊能的能力；用10mm 厚泡沫鋁和薄鋁板制造的夾心板比原鋼板質(zhì)量輕50%，而剛度卻提高了8 倍。

目前，中國(guó)高鐵有關(guān)單位正在研究用泡沫鋁夾心板制備高鐵車廂地板和車門(mén)的可行性。為加快解決下一代高鐵面臨的一系列重大科技問(wèn)題，鐵道部門(mén)和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合成立了先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心，在對(duì)高速列車材料與結(jié)構(gòu)可靠性、噪聲降低理論與技術(shù)等方面展開(kāi)攻關(guān)研究，其中有相當(dāng)一部分內(nèi)容與超輕泡沫鋁有關(guān)。

隨著高速列車運(yùn)行速度的不斷提升，產(chǎn)生的噪聲對(duì)乘客乘坐舒適度與周邊環(huán)境的影響已成為高鐵發(fā)展的關(guān)鍵制約因素之一。相對(duì)于車內(nèi)噪聲，車外噪聲對(duì)環(huán)境的影響更為嚴(yán)重，而高速列車通過(guò)隧道或兩列高鐵在隧道內(nèi)交匯時(shí)產(chǎn)生的混響噪聲及由此產(chǎn)生的震動(dòng)具有相當(dāng)強(qiáng)的破壞力，如不有效控制，將可能成為高鐵的一大發(fā)展障礙。為了降低高速列車的噪聲污染，必須在經(jīng)過(guò)人口密集區(qū)的鐵路兩側(cè)及隧道內(nèi)設(shè)置屏障。超輕開(kāi)孔泡沫鋁的主要功能之一是吸聲，而且該性能可通過(guò)改變孔型或聲結(jié)構(gòu)調(diào)整。此外，泡沫鋁還具有良好的防腐、耐氣候和加工性能，因此是野外聲屏障的良好吸聲材料。