Toa tàu cao tốc được hàn bằng vật liệu nhôm. Một số tuyến tàu cao tốc đi qua vùng băng giá với nhiệt độ thấp tới âm 30 đến 40 độ C. Một số dụng cụ, thiết bị và vật dụng sinh hoạt trên tàu nghiên cứu Nam Cực được làm từ vật liệu nhôm và cần chịu được nhiệt độ thấp tới âm 60 đến 70 độ C. Các tàu chở hàng của Trung Quốc đi từ Bắc Cực đến châu Âu cũng sử dụng một số thiết bị làm từ vật liệu nhôm và một số thiết bị phải chịu nhiệt độ thấp tới âm 50 đến 60 độ C. Liệu chúng có thể hoạt động bình thường trong thời tiết cực lạnh như vậy không? Không có vấn đề gì, hợp kim nhôm và vật liệu nhôm không sợ cực lạnh hoặc nóng.

Nhôm và hợp kim nhôm là vật liệu chịu nhiệt độ thấp tuyệt vời. Chúng không có độ giòn ở nhiệt độ thấp như thép hoặc hợp kim niken thông thường, cho thấy độ bền và độ dẻo giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, nhôm và hợp kim nhôm là khác nhau. Chúng không biểu hiện bất kỳ dấu vết nào của độ giòn ở nhiệt độ thấp. Tất cả các tính chất cơ học của chúng tăng lên đáng kể khi nhiệt độ giảm. Điều này không phụ thuộc vào thành phần của vật liệu, cho dù đó là hợp kim nhôm đúc hay hợp kim nhôm rèn, hợp kim luyện kim bột hay vật liệu composite. Nó cũng độc lập với trạng thái của vật liệu, cho dù nó ở trạng thái hoàn thiện hay sau khi xử lý nhiệt. Nó không liên quan đến quá trình chuẩn bị phôi, cho dù nó được sản xuất bằng phương pháp đúc và cán hay đúc và cán liên tục. Nó cũng không liên quan đến quá trình chiết xuất nhôm, bao gồm điện phân, khử nhiệt carbon và chiết xuất hóa học. Điều này áp dụng cho tất cả các cấp độ tinh khiết, từ nhôm gia công có độ tinh khiết 99,50% đến 99,79%, nhôm có độ tinh khiết cao với độ tinh khiết 99,80% đến 99,949%, nhôm siêu tinh khiết với độ tinh khiết 99,950% đến 99,9959%, ​​nhôm có độ tinh khiết cực cao với 99,9960% độ tinh khiết đến 99,9990% và nhôm có độ tinh khiết cực cao với độ tinh khiết trên 99,9990%. Điều thú vị là hai kim loại nhẹ khác là magie và titan cũng không có độ giòn ở nhiệt độ thấp.

Các tính chất cơ học của hợp kim nhôm thường được sử dụng cho toa tàu cao tốc và mối quan hệ của chúng với nhiệt độ được thể hiện trong bảng dưới đây.

Toa tàu cao tốc sử dụng vật liệu nhôm như tấm hợp kim Al-Mg series 5005, tấm hợp kim 5052, tấm hợp kim 5083 và các tấm định hình; Các tấm và hồ sơ hợp kim dòng Al-Mg-Si 6061, hồ sơ hợp kim 6N01, hồ sơ hợp kim 6063; Các tấm và hồ sơ hợp kim dòng Al-Zn-Mg 7N01, hồ sơ hợp kim 7003. Chúng có các trạng thái tiêu chuẩn: O, H14, H18, H112, T4, T5, T6.

Từ dữ liệu trong bảng, rõ ràng tính chất cơ học của hợp kim nhôm tăng khi nhiệt độ giảm. Do đó, nhôm là vật liệu kết cấu nhiệt độ thấp tuyệt vời thích hợp để sử dụng trong thùng nhiên liệu nhiệt độ thấp (hydro lỏng, oxy lỏng), tàu vận chuyển khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) và bể chứa trên bờ, thùng chứa sản phẩm hóa chất nhiệt độ thấp, kho lạnh , xe tải đông lạnh, và nhiều hơn nữa.

Các bộ phận cấu trúc của tàu cao tốc chạy trên Trái đất, bao gồm các bộ phận toa xe và đầu máy, đều có thể được chế tạo bằng hợp kim nhôm hiện có. Không cần thiết phải nghiên cứu hợp kim nhôm mới cho các kết cấu vận chuyển hoạt động ở vùng băng giá. Tuy nhiên, nếu một hợp kim 6XXX mới có hiệu suất cao hơn hợp kim 6061 khoảng 10% hoặc hợp kim 7XXX có hiệu suất tổng thể cao hơn hợp kim 7N01 khoảng 8% thì đó sẽ là một thành tựu đáng kể.

Tiếp theo, hãy thảo luận về xu hướng phát triển của hợp kim nhôm vận chuyển.

trong hiện tạicho thuê sản xuất và bảo trì toa xe đường sắt, các tấm hợp kim như 5052, 5083, 5454 và 6061 được sử dụng cùng với các cấu hình ép đùn như 5083, 6061 và 7N01. Một số hợp kim mới hơn như 5059, 5383, 6082 cũng đang được áp dụng. Tất cả chúng đều có khả năng hàn tuyệt vời, với dây hàn thường là hợp kim 5356 hoặc 5556. Tất nhiên, hàn ma sát khuấy (FSW) là phương pháp được ưa chuộng hơn, vì nó không chỉ đảm bảo chất lượng hàn cao mà còn loại bỏ nhu cầu sử dụng dây hàn. Hợp kim 7N01 của Nhật Bản, có thành phần Mn 0,200,7%, Mg 1,02,0% và Zn 4,0~5,0% (tất cả tính bằng %), đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất phương tiện đường sắt. Đức đã sử dụng các tấm hợp kim 5005 để sản xuất thành bên cho toa xe Trans Rapid tốc độ cao và sử dụng các hợp kim ép đùn 6061, 6063 và 6005 cho các cấu hình. Tóm lại, cho đến nay, cả Trung Quốc và các nước khác hầu hết đều sử dụng các hợp kim này để sản xuất tàu cao tốc.

Hợp kim nhôm cho xe ngựa ở tốc độ 200km/h~350km/h

Chúng ta có thể phân loại hợp kim nhôm vận chuyển dựa trên tốc độ hoạt động của tàu. Hợp kim thế hệ đầu tiên được sử dụng cho các phương tiện có tốc độ dưới 200 km/h và là hợp kim thông thường chủ yếu được sử dụng để sản xuất toa xe đường sắt đô thị, như hợp kim 6063, 6061 và 5083. Các hợp kim nhôm thế hệ thứ hai như 6N01, 5005, 6005A, 7003, 7005 được sử dụng để chế tạo toa xe tàu cao tốc với tốc độ từ 200km/h đến 350km/h. Hợp kim thế hệ thứ ba bao gồm 6082 và hợp kim nhôm chứa scandium.

Hợp kim nhôm chứa Scandium

Scandium là một trong những chất tinh chế hạt nhôm hiệu quả nhất và được coi là nguyên tố thiết yếu để tối ưu hóa các đặc tính của hợp kim nhôm. Hàm lượng scandium thường nhỏ hơn 0,5% trong hợp kim nhôm và hợp kim chứa scandium được gọi chung là hợp kim nhôm-scandium (hợp kim Al-Sc). Hợp kim Al-Sc mang lại những ưu điểm như độ bền cao, độ dẻo tốt, khả năng hàn tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn. Chúng đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm tàu ​​thủy, phương tiện hàng không vũ trụ, lò phản ứng và thiết bị quốc phòng, khiến chúng trở thành hợp kim nhôm thế hệ mới phù hợp cho kết cấu phương tiện đường sắt.

Bọt nhôm

Tàu cao tốc có đặc điểm là tải trọng trục nhẹ, tăng giảm tốc độ thường xuyên và hoạt động quá tải, đòi hỏi kết cấu toa tàu phải nhẹ nhất có thể đồng thời đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng, an toàn và tiện nghi. Rõ ràng, cường độ riêng cao, mô đun riêng và đặc tính giảm chấn cao của bọt nhôm siêu nhẹ phù hợp với các yêu cầu này. Nghiên cứu và đánh giá của nước ngoài về ứng dụng bọt nhôm trong tàu cao tốc cho thấy ống thép nhồi nhôm có khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn 35% đến 40% so với ống rỗng và cường độ uốn tăng 40% đến 50%. Điều này làm cho các trụ và vách ngăn của xe trở nên chắc chắn hơn và ít bị sập hơn. Sử dụng bọt nhôm để hấp thụ năng lượng ở vùng đệm phía trước của đầu máy giúp tăng cường khả năng hấp thụ tác động. Tấm bánh sandwich làm bằng xốp nhôm dày 10 mm và tấm nhôm mỏng nhẹ hơn 50% so với tấm thép nguyên bản đồng thời tăng độ cứng lên 8 lần.