不锈钢：建筑和汽车用轻型材料的最佳选择

不锈钢是建筑和汽车用轻型材料的最佳选择

张孝福

  1 前言

不锈钢具有非常好的耐腐蚀性已为人们所熟知。在不同的腐蚀环境中，不锈钢得到了广泛的应用。不仅如此，在腐蚀十分严重的恶劣环境条件下，一些供特殊环境条件的要求。但是，对于不锈钢所具有的非常好的力学性能、成型能力以及在成型的同时得到强化的性能，人们的认知远不如对不锈钢的耐腐蚀性的认识和了解。在大多数使用情况下，成型性能往往是决定性因素。影响不锈钢的成型性能的因素包括屈服强度、抗拉强度，伸长率以及加工硬化对这些性能的影响，当然化学成分也是影响成型性的重要因素。作为结构材料使用时，对材料的力学性能、成型性能以有加工成结构件后的综合性能的要求就显得特别重要。

中国作为全世界最大的发展中国家，经济发展速度一直处于高速增长时期，各种新型钢结构的应用与日俱增。特别是我国申办2008年奥运会成功，在迎接2002年奥运会的各项准备工作中，将投入2800亿元人民币进行基础设施和环境建设，包括城市轨道交通、分路、桥梁、燃气设施以及各类大型体育比赛用场馆设施的建设，还涉及到大型农贸市场、批发市场及一些工厂的搬迁和重建。这些都为钢结构市场的发展提供了大好时机。

为了促进我国钢结构产业及相关行业的协调发展，中国钢铁工业协会、中国钢结构协会和中国建筑金属结构协会联合于2001年和2002年连续两年主办了中国国际钢结构展览会，特别是今年的展览会，开辟了不锈钢展览专区，配合开展不锈钢日活动，推荐和展示了建筑钢结构用不锈钢材及产品。这标志着不锈钢作为可回收利用的绿色环保结构材料在建筑和汽车两大市场中迎来了高速发展的新世纪。

2 比强度与比刚度

比强度与比刚度是结构工程中选用材料的两个基本参数。在不锈钢进入钢结构市场之初，一直是诸如铝、塑料这样一些“轻型材料”主宰着结构材料市场，在一些承重结构中，高强度钢占据着主导地位，不锈钢因为价格高的缘故，使用范围较为有限。不锈钢的比重为7.9g/cm³左右，与高强度钢相差无几，是铝比重的2.9倍。但是，在结构工程中，作为结构材料使用，重要的不是比重大小本身，而是材料的屈服强度与比重之比，这个比值叫做比强度。比强度是结构材料的工程性能特值，它随材料的不同加工状态而变化。这个比值叫做比强度。比强度是结构材料的工程性能特征值，它随材料的不同加工状态而变化。正如表1^[1]中所示，不锈钢的比强度在加工硬化状态下比其它材料的比强度高得多。

表1  不锈钢、高强度钢、铝合金、锌合金及铜合金的比强度和伸长率

注：（1）固溶退火状态      （2）冷加工状态    （3）沉淀硬化处理状态    （4）屋顶材料质量状态

在结构工程中，另一个指示材料使用可靠性的指标叫比刚度。比刚度是材料的杨氏模量与比重之比。它表示了不同材料的刚性阻力。如表2^[1]所示，不锈钢的比刚度与铝合金的比刚度非常类似，大大高于铜和锌合金的比刚度。这就意味着不锈钢可以认为是一种“轻型材料”。不锈钢与高强度钢的比刚度差不多，但是，由于不锈钢优良的力学性能以及在不同加工状态下可以获得不同的比强度，因而，用奥氏体不锈钢和双相不锈钢加工的零件壁可以非常薄，也就是说，比用高强度钢制造的同类零件更轻，因此，不锈钢是结构用“轻型材料”的理想选择。

表2  不锈钢、铝合金、锌合金、铜合金及高强度钢的比刚度

    建筑和汽车工业是轻型钢结构材料的两个最大市场。20世纪90年代以来，不锈钢在建筑领域的应用得到迅速发展。世界各地的著名高楼大厦、桥梁、隧道都大量采用不锈钢。汽车车辆用不锈钢已从装饰用材发展到结构用材，在对汽车车辆轻型化和安全性要求日益突出的今天，不锈钢作为一种轻型材料，在汽车车辆结构上的应用显示出了勃勃生机。建筑和汽车使用不锈钢充分展示了经久耐用与美观结合的结构功能，使建筑和汽车的寿命越来越长，寿命周期成本越来越经济，值得在我国大力推广应用。本文重点是要说明不锈钢作为一种“轻型材料”在建筑与汽车结构上的应用，以期引发相关人士对不锈钢的兴趣，加快不锈钢作为结构材料的使用步伐。
3  建筑结构用不锈钢
    不锈钢用作建筑物的内外装饰主要使用的是不锈钢的耐腐蚀性和美学功能。而在建筑结构中，除了要求不锈钢良好的耐腐蚀性能，还要求不锈钢优良的力学性能和防火性能。不锈钢用作结构材料时，要结合使用地点来选择合适的不锈钢。乡村与城市、工业区与非工业区，沿海与内陆因为环境条件不同，对耐腐蚀性的要求是不一样的。常见的外部环境下建议采用的不锈钢见表3^[2]。

表3  常见外部环境下采用的不锈钢

    注：L：腐蚀性最低的环境（如低湿度、低温度）。

     M：一般腐蚀性环境。

     H：腐蚀性较强的环境（如持续的中高湿度、高温、腐蚀性空气污染）。

     *：通常具有很好的性能，但由于价格较高，可能没有成本效益。

    √：性能价格比最好的一种选择。

    （√）：如果采用适当的措施（如光滑的表面和定期清洗）可能是适合的。

     ×：可能受到严重腐蚀。

    
    日本是一个海岸线较长的国家，沿海大中型城市多受海盐飞尘的侵蚀，因而，许多大型建筑多采用不锈钢。例如，2002年世界杯足球赛在韩国和日本举行，此次日本新建的大型体育场均为钢结构式，其中札幌市穹顶体育场屋顶就采用了不锈钢。现在，日本在建设展览馆、体育馆和机场大楼等大中型建筑的屋顶时，已把不锈钢作为标准材料普遍应用。为了加快不锈钢在建筑结构方面的推广应用和促进不锈钢新品种的开发，日本2000年6月起草了 “建筑结构用不锈钢”新标准JIS G4321，并于同年由日本政府正式公布。据此，SUS 304A、SUS 304N2A、SUS 316A等奥氏体不锈钢均可直接用于建筑结构。
    不锈钢优良的力学性能可以保证建筑物结构的耐用性和安全性。当钢结构遭受外力作用(如地震、碰撞等)而弯曲时，不锈钢结构强度变得非常高，而碳素钢的结构强度则低得多。据资料介绍，在猛烈的外力作用下，不锈钢的使用性能比高强度钢好2～3倍。这表明使用不锈钢结构比用其它材料能够吸收更多外力施加的能量。由于不锈钢韧性好，它可以承受更大的冲击而不断裂。
    与碳素钢相比，不锈钢的高温性能要好得多，因而有更好的防火性能。碳素钢在大约400℃就丧失了它的承重功能，而不锈钢在结构性损坏之前可以承受的最高温度达700℃。有报道说，美国“9?11”事件巾，遭到飞机撞击的世界最高的摩天大楼的坍塌不是由于撞击力造成钢结构的倒塌，而是由于大量的航空汽油燃烧致使温度太高而导致钢结构完全丧失其承重功能而坍塌。从这个事例中不难体会到不锈钢作为建筑结构材料的优越性。
4  汽车结构用不锈钢
    汽车市场是不锈钢用量相对最大的市场之一。从20世纪70年代以来，北美、日本及欧洲一些国家相继开始了关于汽车尾气排放的相关立法工作，限制排污的压力越来越大，催化转化器得到广泛应用。像德国生产奥迪的大众以及宝马、奔驰、保时捷等汽车公司都使用不锈钢蜂窝结构的催化转化器。这种催化转化器效率高，比陶瓷催化转化器效率提高15％以上^[3]，从而降低了汽车尾气对环境的污染。目前，德国、法国的一些汽车制造厂正在考虑在紧靠发动机的位置设置一个预催化转化器，提高废气净化程度。但是，这个位置温度高达1050℃，空间小，而且振动大，陶瓷蜂窝结构易碎，显然不能适应这种恶劣环境。不锈钢蜂窝结构的催化转化器优势就变得更加突出，它必将取代陶瓷结构而成为催化转化器蜂窝结构的专用材料。
    汽车设计师对人类的最大贡献是提高了汽车的碰撞安全性。他们把提高汽车结构能量吸收能力与像座位安全带和气囊那样的被动安全措施结合起来，大大减少了汽车碰撞事故中对人员的伤害。在欧洲，尽管目前的汽车数量已经比1952年增长2 0倍以上，但是，汽车碰撞事故造成的人员死亡绝对数量却降低到了1952年的水平。另一方面，从降低能耗、增强舒适感方面考虑，汽车设计师一在寻求减轻汽车自重。提高汽车结构能量吸收能力与减轻自重是相互对立的因素，它们的相对统一只有建立在合适材料的选择上。不锈钢优良的力学性能、成型性能以及冷加工对性能的强化作用，实现了二者的统一。采用不锈钢减薄了零部件壁厚、容易成型，可以使许多高强度钢难以成型的零部件通过采用较薄的不锈钢液压成型，使零部件重量大大减轻，实现了减轻汽车自重的目标。同时不锈钢的汽车结构强度高，在
高速碰撞条件F可以吸收大量的碰撞能，从而避免或减轻了对人员的伤害。
    现在，国外考虑的汽车轻型结构用不锈钢属奥氏体不锈钢系列。 最常用的钢种是0．02％C17．5％Cr-7％Ni 0．15％N不锈钢。欧洲标准表示法是X2CrNiNl8?7／1．4318。这种不锈钢相当于30lL或301LN。在退火状态下，这类不锈钢表现出优良的塑性(伸长率超过50％是常见的)。通过冷轧、矫直或压力成型等冷加?工，它的屈服强度，
极限抗拉强度可以提高200％以上。
    表4^[1]给出了通常用于运输工业的不锈钢在冷加工状态下的屈服强度和极限抗拉强度。与退火状态相比(参见表1)，冷加工状态的力学性能高于退火状态下的力学性能，从而允许设计师把材料尺寸减小20％至50％。

表4  奥氏体不锈钢在冷加工状态下的屈服强度和极限抗拉强度

    为了满足不同的安全标准，汽车制造厂从理论到实践的不同角度研究了汽车碰撞的全过程。
他们对两种有代表性的碰撞行为进行了对比研究。一种是在时速达56km／h的情况下，汽车与一个刚性障碍物正对碰撞(偏心率为零)，这是对乘客安全威胁最大的碰撞情况(图l^[1]略)。另一种碰撞行为是汽车以偏心率4 0％碰撞在刚性障碍物上。
    根据对这两种碰撞行为的研究结果来优化汽车的结构。例如，作为汽车主要支柱的两支前纵梁，根据碰撞叠合过程模型应该是逐渐叠合，若根据翘曲过程模型不应该产生叠合。众所周知，叠合模型单位折叠长度吸收的能量最大。反映碰撞外力与叠合变形的关系一般仍采用应力一应变特性曲线。为了比较不同材料应力一应变曲线的能量特性，使用了σ=f（ε）关系式。对每一种合金，单位体积的吸收能(w)可以用在应力一应变曲线下积分的面积来估计。
    W=（略）
    在此曲线定义域的范围内，不同材料吸收能量的大小见表5^[4]。

表5  不同合金在室温下吸收能量的能力

    由此可知，现代汽车前端结构如果采用不锈钢来制造，不仅具有高的比强度，极强的变形成型性，而且还具有高的能量吸收能力。

    不仅如此，采用新的设计模型，充分利用不锈钢的大变形能力，用不锈钢制造液压成型前纵梁的最大优越性是可以减缩构件。在保持原前纵梁的内能4．9kJ不变的基础上，采用不锈钢后可能减轻的重量见表6^[4]。

表6  使用不锈钢X2CrNiNl8?7／1.4318

    保障行人安全也是汽车设计中必须考虑的重要因素。汽车保险杠系统必须满足保护行人法规的要求。保险杠梁通常由保险杠罩面、保险杠吸能元件(泡沫塑料) 和保险杠或保险杠加强件组成。从保护行人安全方面考虑，如果仅仅是加厚泡沫材料层提高安全性，势必使汽车变长，这是汽车客户所刁二希望的。为了在保险杠罩面与保险杠梁之间有更大的空间来填置吸能泡沫塑料，必须减小保险杠梁横截面形状的宽度。另一方面，对那些合理的碰撞，不应该影响保险杠梁的刚度和吸能能力。显然，要满足这两方面的要求，只有选用不锈钢来制造保险杠梁。在C1000条件下的
奥氏体不锈钢X2CrNiNl8?7／1．4318是最适合于这种用途的材料之一。在相同的吸能条件下，保险杠梁的宽度可以从74mm减小到58mm，减少22％。减小宽度节省下来的空间可以填允更多的泡沫材料来吸收能量，这样，不使汽车长而又提高了行人的安全性。
    采用不锈钢制造保险杠后，当保持同样水平的变形时，重量可减轻38．8％。图2^[1]（略）表示了保险杠的最新设计。
5  结论
    在建筑和汽车结构材料选用方面，不锈钢作为一种“轻型材料”处于强有力的竞争地位。不锈钢优良的力学性能，使得它特别适合于现代的、精心装饰的轻型建筑结构。不锈钢能解决其它材料存在的防火问题。
    在汽车工业市场，不锈钢用作汽车结构用材特别具有吸引力。奥氏体不锈钢[Fe?Cr?Ni?(N)]的强应变硬化特性使得它非常适合通过冷加工来产生高强度。在大多数汽车应用中，强度与成型性能相结合是决定性因素。通过把奥氏体不锈钢的力学性能、成型性能与现代液压成型技术结合起来，在低速碰撞情况下，纵梁的重量可减轻46％；在高速碰撞情况下，纵梁的重量可减轻31％。根据保护行人安全的要求，保险杠梁的重量可能减轻3 9％。这都将为世界瞩目的超轻型钢结构车身的研究成功奠定了基础。

参考文献
[1] Stainless Steel as a Competitor 10 Light material for Building and Automotive Applications，P．-J．Cunat and T．Pauly，Euro-Inox，Brussels
[2] Timeless Stainless Architecture C．Houska，P．G．Stone，D．J．Cochrane
[3] Use Of Stainless Steel Honeycombs in Catalytic Converters Expected 10 Impact Worldwide Market，Andrew Eldib I&SM，May 2002
[4] Stainless Steel in Structural Automotive Applications：An Opportunity for Change，P．-J．Cunat，Stainless Steel Industry，April 2002．