高速列车车轮用钢与飞机起落架用钢的区别有哪些？

起落架是飞机下部用于起飞、降落或滑行的支撑部件。飞机起落架是飞机整体结构的重要组成部分，主要用于支撑机身和起飞降落。它是飞机不可缺少的一部分；没有它，飞机就无法移动。

高速列车是我国战略高端装备之一，高速车轮承受着巨大的动、热载荷，易发生各类疲劳损伤，也是国际上公认的技术要求最高、生产难度最大的尖端车轮产品。

那么高铁车轮用钢与飞机起落架用钢到底有什么区别呢？

国内外高速列车车轮材料研究

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前言

在科学技术是第一生产力的感召下，世界各国铁路科技日新月异，各国都投入了大量的人力、物力、财力对铁路运输进行了大量的研究。我国铁路也得到了大幅度提速，目标是早上出发晚上返回，晚上出发早上到达，目前基本与一些发达国家相当甚至超过。高速列车车轮作为列车不可缺少的零部件，将直接影响列车的安全性和稳定性。随着列车速度的大幅度提高，车轮踏面的剥落、开裂等对车轮的材料提出了很高的要求。各国对车轮材料研究进行了大量的研究，并取得了一定的进展。

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车轮及其损坏

2.1 车轮

车轮在列车中的主要作用有：（1）启动和制动列车；（2）支撑列车重量；（3）列车制动时吸收摩擦热和散热。在材料方面，车轮要求具有高硬度、高强度和耐磨性，因为车轮制动时，除与钢轨摩擦产生磨损外，还会产生热裂纹。各国车轮生产材料以中、高碳钢为主（如表1所示），并加入Mn、Si等微量元素。

表1 我国轧制钢制客车车轮标准与国外标准对比

车轮损伤十分常见，但损伤类型可分为轮辋剥落、磨损塑性变形、轮辋裂纹、轮辋腹板裂纹等。踏面剥落是高速列车车轮常见的损伤类型。研究结果表明，造成此类损伤的因素很多，包括材料清洁度、车轮使用环境、材料性能等。

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高速铁路

铁路运输与其他运输方式相比，具有明显的特点。首先，铁路运输运量大，节省燃料。其次，对环境的污染较小。因此，世界各国特别是发达国家都在大力发展自己的铁路工业。1964年10月左右，日本东海道新干线高速铁路通车，最高时速可达210km/h。此后，德国的ICE、法国的TVG、西班牙的AVE、英国的ART列车相继投入市场。1990年左右，日本新干线X300进行高速试验，最高试验时速可达443km/h。

近年来，我国高铁事业蓬勃发展，成为国际外交上一张耀眼的名片，在国内试验中屡创纪录，在国际市场签订多项大订单，截至2007年4月18日，我国已实现第六次大提速。

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国内外高速列车车轮新材料发展情况

4.1 日本

日本新干线列车车轮所用材料为STY80高碳钢，含碳量为0.6%-0.75%，在高速运转时，抗裂性能不足。为了解决这个问题，日本科研人员开发了V2钢，即SVTY75-ZR。这种含V的低碳钢的成分如表2所示。

表2 V2钢轮规格

从表中数据可以看出，V2钢的含碳量由原来的0.65%降低到0.55%，经检测，此钢的拉伸性能与STY80相比变化不大，但断裂韧性和冲击性能却能得到明显改善。1998年，法国Valdunes公司开发出一种新型钢种，其最大强度可达886MP，而RST的强度极限范围为860-980MP，冲击功为24，远大于RST的冲击功15。而且，研究结果还表明，钢中含碳量一旦达到0.42%，车轮寿命可延长3年。

4.2 中国

随着列车速度的逐一突破，我国也对车轮材料进行了大量研究。2000年，西安交通大学与马钢技术中心联合开发了微合金车轮。这种钢的含碳量比原钢低，并加入合金元素，采用V进行微合金化。试验表明，这种钢比原钢性能更好。

各种钢材的化学成分

4.3 欧洲

欧洲很早就提出使用低碳微合金材料作为钢材，并制定了标准碳含量，时速200公里/小时的车轮采用ER7、ERS等1级钢，这两类钢应用最为广泛。

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结论

综上所述，轨道交通的重要部件之一就是车轮，然而近年来，经济、社会、信息日新月异，解决车轮磨损的挑战也屡创新高，开发品质优异的车轮材料势在必行。

当然，各国都在进行这方面的研究，都认为只有提高材料的韧性，才能提高材料的抗损伤能力。要提高材料的韧性，必须适当降低材料的碳含量，进行微合金化。这样，在保证或略微降低材料强度、硬度的同时，可以大大提高车轮材料的韧性，从而提高车轮的抗损伤能力。这种思路对新材料的开发是一种启示。

超高强度飞机起落架钢的应用现状及前景

起落架是飞机起飞和降落过程中不可替代的装置，极大地影响着飞机的使用和安全。但飞机起飞后，它不参与机身的结构和性能，对飞行不做贡献。因此，起落架的设计理念和材料选择与机身结构不同，希望获得最大的比强度和比刚度，体积尽可能小。钢材强度高，疲劳性能好，耐磨，裂纹扩展速率低，加工性能好，同时钢制零件尺寸小，稳定性好，因此一直是设计和制造起落架的主要材料，特别是下沉速度大的军用飞机的首选材料。当今世界上95%以上的飞机起落架都是采用超高强度钢制造的。随着航空技术的发展和材料制造技术的不断进步，各类军用和民用飞机起落架日益向轻量化、长寿命、高可靠性方向发展。 目前，包括我国在内的世界航空工业发达国家均已形成了起落架材料体系。现代飞机中，起落架用钢占整机用钢总量的60%以上。超高强度钢主要用于主要承力部件和关键连接件的设计制造：主要承力部件包括外筒、活塞杆、扭力臂、轮轴等；连接件包括旋转轴、扭力臂铰链连接轴等。

起落架使用寿命考核指标是起降次数，现代飞机要求起落架使用寿命与飞机额定起降次数相同，即起落架与飞机同寿命，起落架首次周转期应不小于安全设计寿命的1/4。

介绍了飞机起落架用钢的应用及研究现状，分析讨论了国内外应用差距及应用前景，指出了我国飞机起落架用钢的发展方向。

1 飞机起落架用超高强度钢的开发与应用历史

飞机起落架用钢的发展与飞机设计思想、设计要求和材料制造技术的进步同步，起落架承受静载荷、动载荷和重复载荷，核心设计理念是在保证使用安全的前提下，尽可能减小其重量和尺寸，具体设计原则也在不断完善和改进。

（1）早期飞机采用静强度设计。20世纪50年代，我国飞机设计强调静强度设计，主要通过选取合适的安全系数来保证结构的安全性，一般用材料的抗拉强度除以安全系数即为使用强度。起落架制造所用材料强调抗拉强度和屈服强度，具有良好的塑性和冲击韧性。起落架主要承力部件主要采用1175MPa级高强钢4130、30CrMnSiA等材料，采用手工电弧焊等方法制造。

（2）随着各国按静强度设计的飞机相继发生疲劳损伤事故，在静强度的基础上发展了对飞机疲劳强度的要求，即强调安全寿命设计。第二代战斗机开始全面采用安全寿命设计。安全寿命假设结构中不存在初始裂纹或损伤。对于制造材料的SN曲线，根据损伤累积理论估算裂纹形成寿命或通过试验得到裂纹形成实验寿命，再将裂纹形成寿命除以离散系数得到使用寿命。起落架的安全使用寿命通常为起落架实验寿命的1/4-1/6。安全寿命设计特别适用于结构复杂、成本较高的起落架主要承力结构，如起落架外筒、活塞杆、轮轴等。因此，此时要求制造起落架所用的钢材不仅要有较高的强度和刚度，还要有良好的抗疲劳性能。 较高的强度有利于获得较高的裂纹形成寿命，而较高的强度/刚度可以减轻重量，提高机身内空间利用率。随着超高强度钢技术的发展，超高强度结构钢已成为制造大型飞机起落架主要受力部件的必然选择。

起落架主要承力部件采用1580~1760MPa级超高强度钢30CrMnSiNi2A、4330M、4340等，采用焊接工艺制成。苏联主要采用30CrMnSiNi2A钢，该钢是在30CrMnSiA基础上，添加1.4%~1.8%Ni和适量Mn，增加马氏体的过饱和度、相变应变和位错密度，同时提高马氏体基体的韧性，降低点，提高淬透性。30CrMnSiNi2A钢中C含量为0.27%~0.34%，易产生焊接裂纹，因此需焊前预热，焊后回火。多层焊时应控制层间温度，焊接接头强度不低于母材的90%。

随后，又陆续开发出1800~1900MPa级的H11、D6AC、300M等超高强度钢。H11是最早的中合金二次硬化超高强度钢。300M钢是美国国际镍公司1952年在4340钢的基础上，添加1.6%Si、0.1%V以提高强度和抗回火性能并提高回火温度而开发的1900MPa级超高强度钢，与H11、D6AC、4340钢相比，具有更优异的抗冲击性能和综合性能。因此，1964年美国C-5A大型军用运输机起落架首次使用300M钢后，陆续推广到各型飞机起落架，并成为起落架应用最广泛的超高强度钢。 美国现役各型飞机起落架90%以上采用300M钢制造。300M钢焊接性较低，300M钢起落架均采用整体锻件设计制造。20世纪70年代，美国在300M钢基础上降低C含量、增加S含量，开发出HP310钢，当抗拉强度提高到2100MPa时，韧性太低，没有在实际中采用。

20世纪60年代，我国自主研发生产了40CrMnSiMOVA（GC-4）钢，这是一种抗拉强度为1860MPa、不含Ni、含Cr较少的低合金超高强度钢。GC-4钢具有良好的工艺性能和综合力学性能，可以焊接。20世纪80年代，我国开发了双真空冶炼300M钢，该钢强度与GC-4相当，但横纵向性能一致性、冲击性能、疲劳性能、抗应力腐蚀性能均优于GC-4。由于采用精制脱硫原料，并采用双真空冶炼，钢中S、P含量分别降至0.002%～0.003%和0.005%～0.008%，比GC-4钢降低了1倍以上，显著提高了材料的疲劳裂纹形成寿命。 在此基础上，根据双真空300M钢的特点，研发了完整的抗疲劳制造技术体系，包括起落架外筒整体锻造及活塞杆锻造、真空淬火、大深径比深孔加工、孔挤压强化、低氢脆镀镉钛表面处理等。1990年，300M钢起落架首次投入使用，实现了起落架与机身同等安全使用寿命。随后，300M钢在我国飞机起落架制造中得到广泛应用。

（3）1969年以来，美国的F-111、F-4飞机虽然已通过整机疲劳试验，但在安全使用寿命内仍然发生疲劳断裂事故。美国提出了飞机损伤容限设计的思想，即考虑结构中微小的初始缺陷对使用寿命的影响，并于1974年颁布了飞机损伤容限设计要求MIL-A-83444。F-16是第一种实施损伤容限设计要求的美国军用飞机，但设计要求指出损伤容限设计适用于飞机机体结构，并不完全适用于起落架结构。我国1985年颁布的飞机强度设计规范也规定，现行飞机设计应采用安全寿命与损伤容限相结合的设计原则。起落架主体结构为静定结构，传力路径单一。 若强调损伤容限设计，则必须设计为慢速裂纹扩展结构，重点考虑起落架的疲劳损伤、断裂损伤和安全使用寿命，即以裂纹形成试验寿命确定使用寿命，以裂纹慢速扩展试验寿命确定起落架的大修周期。

此时对起落架制造用钢提出了更小的裂纹扩展速率、更高的断裂韧性等新的要求，强调材料抵抗不稳定裂纹扩展的能力。高的断裂韧性有利于获得高的动态断裂韧性。由于起落架用超高强度钢一直强调强度-韧性匹配，较高的强度-韧性匹配才能获得较小的裂纹扩展速率和较高的断裂韧性，所以，以第三代战斗机为代表的各类飞机起落架仍然沿用以前的材料。苏联苏-27等系列飞机的起落架仍采用30CrMiSiNi2A钢；法国“幻影”和“协和”飞机的起落架采用35NCD16钢； 由于300M钢在所有低合金超高强度钢中裂纹扩展速率小、断裂韧性高，因此截至目前，以F-15、F-16、F-18A/B/C/D为代表的军、民用飞机起落架大多仍采用300M钢。300M钢不是一种损伤容限型材料，随着对疲劳断裂认识的不断深入，在原有指标基础上强调了断裂韧性要求，不低于55MPa•m1/2。随着二次硬化高合金钢理论和高纯净度冶炼技术的成熟，美国于20世纪90年代初在H11钢和AF1410钢技术基础上开发了1900MPa级AerMet100超高强度合金钢，完成了飞机起落架由低合金超高强度钢向高合金超高强度钢的过渡。AerMet100钢是第一种损伤容限型起落架用超高强度钢。 其断裂韧性、冲击性能、疲劳性能和耐腐蚀性能明显优于300M钢：断裂韧性提高1倍以上，不低于110MPa•m1/2；冲击性能提高50%；疲劳裂纹形成寿命在K=1时提高20%；在K=2时疲劳裂纹形成寿命相当。为实现不低于6000次起降的安全使用寿命和保证修理周期，美国的F-22、F-35飞机的起落架均采用AerMet100钢制造。虽然Aer-Met100钢具有优良的焊接性能，但为了保证Aer-Met100钢起落架的安全使用寿命，凸显高合金钢的损伤容限优势，采用整体锻件设计制造。

我国在超纯净冶金、大锭成分精确控制、大尺寸棒材毛坯锻造等关键技术方面取得突破，完成了超大尺寸23Co14Nil2Cr3MoE（A-100）钢的研制。该钢纯度在国内首次达到99.995%，确保断裂韧性等力学性能不低于Aermet100钢。起落架用钢强调强度与韧性的匹配，含有一定量的薄膜均匀分布的奥氏体，疲劳裂纹扩展速度相差不大。 A-100钢与300M钢疲劳裂纹扩展速率对比如图1所示。基于A-100钢损伤容限特性，突破大型复杂模锻件成形性能、大型复杂件精密热处理、超音速火焰喷涂、复合喷丸、低氢脆镉钛镀层、低应力非烧蚀磨削等关键技术，形成了起落架用高合金超高强度钢抗疲劳制造技术体系。

虽然18Ni超高强度马氏体时效钢通过二次强化也能达到1800MPa以上，且具有较高的断裂韧性，但是由于采用金属间化合物进行强化，该类超高强度钢的冲击性能和疲劳性能较低，缺口敏感性较大，屈强比过高也不利于抑制裂纹扩展，因此该类超高强度钢并未用于起落架制造。

图1 A-100钢和300M钢的疲劳裂纹扩展速率

（4）飞机结构的开裂与失效表明，影响结构开裂的不仅仅是载荷，还有环境（腐蚀、摩擦/磨损等）的影响。因此，美国于1975年提出了耐久性设计概念。耐久性是结构在规定时限内抵抗开裂（包括应力腐蚀开裂等）、腐蚀、热劣化、磨损和外界损伤的能力，即要求采用载荷-环境谱进行设计，且经济寿命大于设计目标寿命。在我国2008年颁布的飞机强度设计规范中，也明确提出采用耐久性和损伤容限设计原则，在继承安全寿命设计理念的同时强调经济寿命。

但对于起落架制造材料的性能而言，耐久性的核心是强调材料的抗环境性能。不仅要考虑材料在初始裂纹条件下的裂纹扩展性能，还要考虑材料在载荷和外界环境的共同作用下裂纹的萌生和扩展性能。这种设计理念最直接的体现就是对舰载机抗应力腐蚀设计的重视。此时材料的技术指标不再是简单考虑表面防护层下基材初始裂纹的扩展速率和断裂韧性，而是考虑表面防护层破损后材料的抗应力腐蚀性能，包括腐蚀速率、应力腐蚀裂纹扩展速率、应力腐蚀断裂韧性、腐蚀疲劳等。目前舰载机所有严重事故都是由腐蚀引起的，这也验证了舰载机起落架设计制造材料强调抗环境性能的必要性。20世纪90年代初，美国F-18舰载机就曾发生过舰载300M钢起落架腐蚀断裂事故。 2002年，F-14舰载机前起落架外管发生腐蚀断裂，发生了机毁人亡的灾难性事故，导致该型飞机156架停飞。因此，美国海军将300M钢列为海上限制使用材料，并提出采用耐腐蚀性能更高的超高强度钢制造舰载机起落架。在20世纪90年代初美国F-18飞机300M钢起落架发生应力腐蚀断裂事故后，F-18E/F、F-35舰载起落架全部采用耐应力腐蚀性能更好的AerMet100钢制造。AerMet100钢的KISCC是300M钢的2倍以上，在3.5%NaCl溶液中应力腐蚀疲劳裂纹扩展速率降低50%以上。 AerMet100钢在盐雾环境中的腐蚀速度仅为300M钢的10%。

2 飞机起落架超高强度钢的展望

提高超高强度钢的韧性、损伤容限和耐久性对起落架设计的吸引力是毋庸置疑的，但必须建立在超高强度钢强韧化的新理论基础上，因此在一段时期内难以改变目前强度提高、塑韧性降低的现状。结合飞机起落架设计和使用要求，起落架用超高强度钢有以下几个发展方向。

（1）2200MPa以上超高强度钢

如果能将超高强度钢的强度水平由目前的1900MPa级提高到2200MPa级以上，即强度提高15%以上，对起落架设计的减重效果还是比较明显的，对飞机设计人员也比较有吸引力。为此，美国于2003年开始公布航空用2100～2300MPa级超高强度钢的研制计划和技术方案，对高比强度超高强度钢进行了进一步的研究。先后研制出了AerMet310钢(2100MPa级)、AerMet340钢(2300MPa级)，但AerMet310钢的断裂韧性实际测量值为73MPa•V1/2，AerMet340钢的断裂韧性实际测量值为37MPa•V1/2；因强韧性匹配性低，目前尚无实际应用。 目前，我国也利用M2C、金属间化合物等沉淀强化理论，开展2100~2300MPa级超高强度钢的开发。

2200MPa级以上超高强度钢的应用关键是在保证强度的前提下，确保塑性、韧性、疲劳性能、裂纹扩展速率、抗应力腐蚀性能等综合性能优于广泛使用的300M钢水平，才能体现技术优势。

（2）超高强度不锈钢

舰载机在其整个寿命周期内，都会随舰在海洋环境中执行任务，会长期暴露在高温、高湿、高盐的恶劣腐蚀环境中。除了F-18、F-14舰载机起落架出现腐蚀断裂外，EA-6B“徘徊者”电子战飞机也出现了起落架腐蚀问题。因此，舰载机起落架要求采用抗应力腐蚀性能更高的超高强度钢。2002年，美国QuesTek新技术公司承担了美国国防部战略环境研究与发展计划（SERDP）的污染防治项目。项目要求设计新型飞机起落架材料，研制新型超高强度不锈钢Ferrium S53，以替代AerMetl等超高强度钢。 FerriumS53的抗拉强度为1800MPa，屈服强度为1500MPa，应力腐蚀断裂韧性试验值不小于50MPa·m1/2。美国采用Ferrium S53钢试制了A-10舰载攻击机起落架，进行了评估和验证，并于2010年12月首次在T-38教练机上使用。

2002年以来，我国相继成功开发新型超高韧性、超高强度马氏体沉淀硬化不锈钢，典型代表有钢铁研究总院的F863钢、USS122G钢和北京航空材料研究院的S280钢。这些钢是我国自主研发、具有自主知识产权的Cr-Ni-Co-Mo马氏体时效不锈钢，强度不小于1900MPa，屈服强度不小于1500MPa，断裂韧性不小于90MPa，应力腐蚀断裂韧性试验值不小于70MPa·m1/2。

与AerMet100钢相比，目前研制的超高强度不锈钢屈强比和断裂韧性略低，应力腐蚀断裂韧性提高30%以上，盐雾环境中腐蚀速度降低10%以上。根据飞机结构设计强度规范的要求，在使用载荷下，不得超过材料的屈服强度；在设计载荷下，不得超过材料的抗拉强度。设计载荷除以使用载荷称为安全系数，一般安全系数多为1.5，即要求起落架钢屈强比大于0.67，超高强度不锈钢屈强比为0.75～0.8，可以满足起落架的设计要求。略低的屈服强度有利于降低裂纹通过塑性变形扩展的速率，增大裂纹临界长度，提高起落架的安全性； 但是，低屈服强度比疲劳裂纹，这不利于获得高安全寿命，因为基于载体的飞机起落架的故障模式主要是应力腐蚀骨折，因此稍低的断裂韧性不应是阻碍其应用的原因，并且进一步改善了产量强度。

考虑到超高强度不锈钢的全面性能，它可以用作下一代基于载体飞机起落架的替代材料。

（3）低成本超高强度钢

低成本已成为现代飞机设计和制造的重要指标，使用低成本，高性能的材料是一种措施之一。

2013年，美国开发了一种基于“物质基因组”技术的新的Co-NI超高强度钢M54钢，其目标是降低成本并替换Aermet 100钢，以减少CO和MO的含量，以增加CO和MO的含量。并获得了美国汽车工程师协会发行的材料规范。略低，KISCC稍高，并且规范中没有规定的较大性能差距。 目前，最小的350毫米杆已经进行了试验高成本效益，可用于制造飞机起落架，但目前发布的性能不足以完全替代Aermet100钢。

随着净化冶炼和精确的组成控制技术的改进，单个真空吸尘器冶炼的超高强度钢的疲劳性能和断裂韧性接近双吸尘器的水平，但成本大大降低了这种类型的超高强度，可用于速度较低的驾驶员，例如，驾驶员的速度较低。

3 结论

用于飞机起落架的钢制形成了一种材料系统，该系统使用低合金的钢和高合金超高强度钢的特征； Ely使用的是，对于同样的超高强度钢而言，出现的性能将在一段时间内全面超过300m钢或Aermet100钢的性能。

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