说说铝合金的低温性能

高铁车厢是用铝材焊的，有的高铁线经过零下三四十摄氏度的高寒地带；南极科考船上的一些仪器、装备与居家用品是以铝材生产的，必须遭受零下六七十摄氏度的考验；由中国经北极到欧洲的商船上有些装备也是用铝材生产的，其中的一部分丝在外面，环境温度也在零下五六十摄氏度；它们能在这样的严寒环境中长时间运转吗？没问题，铝合金及铝材是最不怕严寒炎热的。铝：最差的低温结构材料 铝及铝合金是最差的低温材料，没低温脆性，不像普通钢材、镍合金等那样有显著的低温脆性，它们的强度性能虽然随着温度的减少而增高，但是塑性与韧性却随着温度的上升而减少，即有显著的低温脆性。可是铝及铝合金则大不一样，没一丝丝低温脆性，它们的一切力学性能皆随着温度的减少而全面显著下降，与材料的成分牵涉到，不管是铸铝合金还是变形铝合金，也不管是粉末冶金合金，还是复合材料；与材料状态也没关系，不管是加工状态的，还是热处理状态的；也与锭坯制取工艺牵涉到，不管是用铸锭轧制的，还是用熔体倒数铸轧的或倒数连轧的；与铝的萃取工艺更加无关系，电解的、碳冷还原成的、化学萃取，通通都没低温脆性；与纯度也牵涉到，不管是99.50%~99.79%的工艺显铝，还是99.80%~99.949%的高纯铝、99.950%~99.9959%的RISC铝（Super Purity）、99.9960%~99.9990%的极纯铝（extreme purity）、99.9990%的超高显铝等都没低温脆性。

有意思的是，另两个重金属镁、钛跟铝一样也没低温脆性。几种常用高铁车辆厢体断裂铝合金型材的力学性能与温度的关系闻下表格。

高铁车厢铝材有Al-Mg系由的5005合金板材、5052合金板材、5083合金板材及型材，Al-Mg-Si系由的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。标准状态有O、H14、H18、H112、T4、T5、T6。

由表中的数据可显著地显现出，不管哪种铝合金，它的力学性能皆随着温度的减少而下降，所以铝材是一类绝妙的低温结构材料，火箭的低温燃料（液氢、液氧）储罐、液化天然气（LNG）运输船上与岸基储罐、低温化工产品容器、冷库、冷藏车等都可以用铝材生产。在地球上跑完的高速列车的车厢与车头的结构件凡是能用铝合金生产的零部件都可以用现行的适当铝合金生产，不必须另辟蹊径研究一种在高寒地区运营的厢体结构铝合金及其生产工艺，当然如果能研发一种各项性能比6061合金大10%左右的6XXX合金，或比7N01合金全面大约大8%的7合金，那当然是功劳相当大的。实质上，在我国黑龙江省，以及以后在内蒙古自治区、新疆维吾尔族自治区、西藏自治区、青海省跑完的高铁对铝合金结构来说算不了高寒，不必须对合金成分不作类似处置，也不必须对材料生产工艺参数不作专门调整。只要为咎高铁或以后为在其他严寒地区运营的高铁车辆厢体生产的铝材性能符合中国GB、欧洲EN、日本JIS、美国ASTM等标准拒绝，就是合格的产品，不必须采行类似措施，以免增大成本。

车厢铝合金的发展趋势 在现在轨道车辆厢体生产和确保中用的板材合金有5052、5083、5454、6061等合金，用的断裂型材有5083、6061、7N01等，此外一些新的合金诸如5059、5383、6082等也有所应用于。它们都有较好的可焊性，焊丝为5356或5556合金，当然最差是使用摩擦加热焊接（FSW），不但焊质量低，而且不必焊丝。

后来日本研发的7N01合金（Mn0.20~0.7、Mg1.0~2.0、Zn4.0~5.0，单位%），在轨道车辆生产中取得广泛应用；德国在生产高铁Trans Rapid车厢时使用5005合金板制作壁板，用6061、6063、6005合金断裂所用的型材。总之，直到目前无论是中国还是其他国家生产高铁车辆基本上仍延用这些合金。200km/h~350km/h列车厢体铝合金 我们可根据列车运营速度将厢体铝合金分成：速度200km/h的车辆用的可称作第一代合金，它们是常规的合金，多用作生产城市轨道车辆厢体，如6063、6061、5083合金等；第二代铝合金如6N01、5005、6005A、7003、7005合金等用作生产速度为200km/h~350km/h的高铁车辆厢体；第三代合金是6082、不含钪的铝合金等。

除了6N01、7N01合金（它们是日本合金，N代表Nippon）外，还有7003合金，它的Mg含量比7N01合金的较低，是一种较低Mg的Al-Zn-Mg合金，它的可焊性及强度与7N01合金的非常，并具备更高的可断裂性能。日本东北和上越新干线、札幌地铁大量使用7003、7N01合金生产壁薄3mm的宽幅型材。

6005A合金（Si0.50~0.9、Mg0.40~0.7、Mn和Cr 0.12~0.50,%）是法国登记的，与美国6005合金比起，Mg与Si的含量大于，但减少了0.12%~0.50%的Mn的Cr，不但有与6063合金非常的可断裂性能，而且强度性能也有所提高。6N01合金也如此，日本山阳电化铁路3050型车辆厢体侧板（长507mm、壁薄2.5mm）、长558mm的地板，以及生产侧板挂勾、檐梁等的大型宽幅空心型材都是用6N01合金断裂的。

350ktm/h~450km/h列车厢体铝合金这是厢体用的新一代铝合金，列车速度高达450m/h，车辆需忍受更大的外力，受到的震动也更加反感，因此不应研发新一代轻量化高铁铝合金。不含钪的铝合金。

钪是铝及铝合金最有效地的晶粒细化剂，也是优化铝合金性能有效地的元素之一，钪的含量都0.5%，凡所含钪的合金，不管含量多少都总称铝-钪合金。Al-Sc合金有强度低、塑性好、可焊性优良、抗蚀性强等优点，是舰船、航空航天器、反应堆、国防军工器械等领域搭配的新一代铝合金之一，当然也可以用作生产铁路车辆结构。不过向现行铝合金加到钪，对的组织性能的提高如何，另有待系统的研究，钪是一种稀土元素，中国是世界上仅次于的钪生产国，在Al-Sc合金研究方面居于世界前茅，但总的来看还不如俄罗斯，在Al-Sc合金研究与应用于方面俄罗斯是领跑者。

东北重合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所对Al-Sc合金的研发不作了许多工作，他们研究的大尺寸5B70铝-镁-钪合金板材获得2017年度中国有色金属工业科学技术一等奖，获得二等奖的也有一项，为航天用可焊接高强Al-Zn-Mg-Sc合金。6082合金 时隔6N01合金普及以来，1972年成型的6082合金获得铁路装备制造部门的注目，此合金的强度介于7N01合金与6N01合金强度之间。

6082-T5方形管的抗拉强度Rm（喷雾在线淬火）合乎底架梁的适当拒绝。基础实验指出，此合金可以在适当领域实地应用于。

然而，若要在铁路装备部门普遍推展，仍必须做到大量工作。对于30年前曾被视作万无一失的铝制列车的组装节点的疲劳强度，由于列车载重条件转变和结构轻量化，已呼吸困难用作当前的新型高速列车，但是这与高寒地区的温度牵涉到，因为零下几十摄氏度对铝合金来说感叹小试锋芒，算不了什么低温，同时温度就越较低，铝结构变得就越坚韧。泡沫铝 高速列车具备轴重重、频密特滑行和失灵运营等特点，拒绝车体结构在符合强度、刚性、安全性、舒适度的前提下尽量轻量化。似乎，超轻泡沫铝所不具备的高比强劲、高比模、低阻尼等性能，与这些拒绝十分完全一致。

国外对泡沫铝在高速列车上的应用于展开了详尽地研究与评估，找到填满泡沫铝的钢管吸能本领比空管的高35%~40%，抗弯强度提升40%~50%，从而可使车厢立柱和隔板更加牢固，容易塌陷；用泡沫铝填满机车头部缓冲区，可提升吸取冲击能的能力；用10mm薄泡沫铝和厚铝板生产的夹心板比原钢板质量重50%，而刚性却提升了8倍。目前，中国高铁有关单位正在研究用泡沫铝夹心板制取高铁车厢地板和车门的可行性。为减缓解决问题下一代高铁面对的一系列根本性科技问题，铁道部门和中国科学院牵头正式成立了先进设备轨道交通力学研究中心，在对高速列车材料与结构可靠性、噪声减少理论与技术等方面进行研制成功研究，其中有非常一部分内容与超轻泡沫铝有关。

随着高速列车运行速度的大大提高，产生的噪声对乘客搭乘舒适度与周边环境的影响已沦为高铁发展的关键制约因素之一。相对于车内噪声，车外噪声对环境的影响更为严重，而高速列车通过隧道或两列高铁在隧道内交汇时产生的混响噪声及由此产生的震动具备非常强劲的破坏力，如不有效地掌控，将有可能沦为高铁的众多发展障碍。为了减少高速列车的噪声污染，必需在经过人口密集区的铁路两侧及隧道内设置屏障。

超轻开孔泡沫铝的主要功能之一是吸声，而且该性能可通过转变孔型或声结构调整。此外，泡沫铝还具备较好的防腐、耐气候和加工性能，因此是野外声屏障的较好吸声材料。

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