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【入门常识】自行车车架材质分类

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发表于 2012-6-19 10:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
钢材:
高拉钢(hi-ten)比较廉价的钢材
铬钼钢(Cr-mo)传统型的坚固耐用类钢材,特点:管壁薄、重量轻
铝材:
普通铝 轻、不会生锈
6061铝 比普通铝材韧性、强度强10%-15%
7005铝 比6061铝更好的铝材
2014铝,7075铝,CU92铝等因不易焊接加工所以用在自行车管把材料中。

碳纤维:(WCF)碳纤并不是一种材料,而是由炭纤维和环氧树脂在高温高压下粘合形成地新时代新科技复合材料

钛合金:(TI)重量最轻、硬度最强的贵重金属材料,是车辆材料中的极品!

镁合金: 重量轻,较易氧化

钪合金: 最新材料,重量比铝轻20‰ 强度比铝大30‰

    自行车的材料有已往使用的铝以外、还有铬钼钢、钛、碳纤、镁等材料。还出现了不少用新材料制成的车架。关于金属合金材料的书很多,但是不是专门介绍自行车的材料,在此简单介绍自行车的材料。首先了解一下金属材料的常用语。应力以及变形应力的定义=σ=负荷/断面积 (即:单位面积上所能承受的重量)虽然负荷大,但是可以增加厚度来降低断面积上的应力。从这里也可知为什么铬钼钢、铝、钛管的厚度不同。受应力之后,用于车架的材料会变形。其变形可分为弹性变形和塑性变形。弹性变形:虽然变形,但是除去应力后恢复原状。塑性变形:变形后除去应力也无法恢复原状。弹性率:弹性率所指的是像弹簧一样变形的材料的低抗程度。弹性率高的材料硬,承受负荷后变形也少;弹性率低的材料较软,承受负荷后变形较多。作为自行车的材料,有些部位需要变形多些,有些部位需要变形少些。弹性率以杨氏弹性模量来表示。数据越大弹性率越高。下表为自行车的各种材料的杨氏弹性模量。从上表可知铬钼钢的弹性率最高,镁合金的弹性率最低。弹性率将决定材料刚性的强弱,对自行车来说该数据是很重要的。
    屈服强度、拉伸强度
    屈服强度:是弹性变形的极限,也叫屈服点。增加应力到一定程度时成为塑性变形,也就是变弯了。
    拉伸强度:指的是增加应力到一定程度时不单是成为塑性变形,还被拉断。
自行车材料的拉伸强度

用在自行车上的材料                              拉伸强度((MPa,N/mm^2)
SCM415 (铬钼钢)                                                            834以上
6061 (6000系铝合金)                                            无热处理的场合 100以上
                                              有热处理的场合(T6) 246以上


7005 (7000系铝合金)                                           有热处理的场合(T6) 345以上


7075 (特超硬铝,飞机合金)                                    无热处理的场合 230以上
                                                有热处理的场合(T6) 597以上
                                                 有热处理的场合(T6) 597以上
用的较多的纯钛为如下:
CPTi (纯钛)                                                               PTT800 800
                                                                               Grade4 588~753
                                                                               UTT75 753

3-2.5Ti (3%Al-2.5V Ti合金)                     685以上

6-4Ti (6%Al-4V Ti合金)                       有热处理的场合 (时效)1160
                                                                               无热处理的场合 980


       密度

    密度是单位体积的重量。密度是决定车架的重量时重要因素之一。设计轻的车架时不可勿视的数据。但是密度小不等于车架轻。
  用在自行车上的材料 密度(g/cm^3)
铬钼钢(低合金钢) 7.9
铝合金 2.6-2.9
钛 4.5
钛合金 4.3-5.1
碳纤 (CFRP) 1.5-1.6
镁合金 1.7

  从上表可知铬钼钢密度最高,镁合金最低。密度低的话,可以制作轻车架,假若这样认为的话只讲对了一半。还要老虑拉伸强度、弹性率等因素。虽然密度低,但是强度不够的话也不行,密度低1/3不等于重量也轻1/3。
增强材料

重排:所指的是在金属结晶中会产生的移动现象(原子间存在间隙,使结晶移来移去)。发生重排现象时金属会变形。强化材料也就是想办法制造出不要发生重排现象的结构。在此介绍4种强化材料的方法。固溶体强化、析出强化、通过硬化加工来增强、结晶体的微细化来增强。

  固溶体强化
在铁等母体材料中熔入铬、钼等,使母体材料变成不同半径的结晶构造。此时的原子称为固溶体。在此举个例来说明这种现象。比母体的原子半径小的原子进来时发生的现象。
「在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,此时进来了小孩,为了防止小孩被挤坏,汉子们开始靠向四周」。
比母体的原子半径大的原子进来时
「在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,其中有一个人下了电梯,但是又进来了肥胖的大娘,此时汉子们又开始靠向四周」。如上述现象在结晶体四周发生了应力,使得重排现象变小了。利用这个方法的是铬钼钢。

  析出强化

  当前,自行车材料中的铝合金制品普遍受到欢迎。增强铝的方法将在铝项目中记述,在此只讲强化的原理。固溶在金属中的添加物,会产生饱和状态(不完全溶解),添加的量超过饱和状态时,因未能完全溶解而析出。
具体地说,提高温度时饱和量也增加,完全溶解的瞬间开始慢慢冷却时,能析出大的结晶。用食盐来做实验会看到这个现象,食盐的场合,急速冷却时析出细小的盐结晶,但是金属一般不会析出,若冷却速度快时,不会析出而强迫使它固溶。
对处于此状态下的金属,逐渐提高它的温度时慢慢析出。在此需要注意的*于析出不可,析出不够也不行,温度过高、过低也不可以,该温度叫作热处理温度(也称作人工时效处理)。最理想的是析出的结晶细而均一,从而阻止重排,材料不容易变形。举个例子:「走在森林里,若大树较多时容易走路(大的析出物),密密麻麻小树多的话不容易走(细小的析出物)」,和这个道理一样细小的析出物较难重排。

  硬度加工来增强的方法
对材料进行加工就产生重排现象,也就产生材料的变形。各种材料的重排现象是极为复杂,不在此记述,简单地说:重排后不是整齐地排队,而复杂地啮在一起的话,材料的变形就困难了。如马路上走路时,走路的人不断增加(重排的增殖),就难于前进(重排移动变得困难,从而不容易变形)。利用此方法的有管道拉拔和喷丸硬化(SHOT PEENING)。

  结晶体的微细化来增强
结晶在高温下完全溶解后,急冷时得到微细的组织。这个过程叫作淬火。结晶变微细后,重排移动的连续性就难于保持,结果材料得到了增强。(比方:人能活动的范围变小了)。

铬钼钢(Fe-Cr-Mo)


铬钼钢(Fe-Cr-Mo)

在自行车的100年历史当中,铁素材是刚性与重量方面都均衡的理想素材。铁制车架的最大特征是可在各种成份,各种粗细厚薄的铁管中,任意选择所需要的铁管进行加快。因此可以选择最适合于的尺寸、刚性、骑感的车架,这对于数毫米的差异也敏感的老车手来说是很有好处的。它的最大的缺点是比起其它的素材重(过去)。但是最近的铁素材车架经过热处理,把薄的管道做成粗的管来使用,其重量不会输给轻的合金。
铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下:
○淬火性好。
○对回火处理的抵抗性大。
○回火脆性倾向少。
○高温加工性好,加工后美观。
○熔接性好。
(右图)BRIDGESTONE ANCHOR的铬钼钢车架,该公司的宣传用语是"与铝合金制一样轻",价格约(左)6,700多元,(右)5,000多元。
●铬钼钢车架的优点
(1).加工性好
铬钼钢的车架是历史最久的车架,因此对它的研究时间也最长。现在能做到车架所需强度的极薄的管道。
(2).冲击的吸收性能好
骑感极好,如「像弹簧般的骑感」。构成车架的铬钼钢管道有优异的吸收冲击的性能。
(3).焊接容易
铬钼钢比起钛、铝焊接容易。可以设计成名种形状。另外,焊接后也不需要热处理,因此不需要大型的热处理设备,成本低。
(4).价格便宜
虽然有些高挡次的铬钼钢车架价格贵,但一般价格便宜。也可以说,用便宜的价格买到高挡次的车架。
●铬钼钢车架的缺点
(1).容易生锈
车架用的铬钼钢含有铬,但是添加量少(不锈钢含有12%的铬)的铁系合金。若没有施有表面处理的话,有伤口时容易生锈。但是一般都有进行防锈加工。自行车的场合,管道的肉压薄,生锈后的影响将会非常大。生锈→肉压减少→强度下降(应力集中)。
(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)
若使用肉薄的铬钼钢车架时需要注意!当然金属疲劳这个现象任何金属都会产生包括铝等在内。金属疲劳现象简单地说:金属虽然具有防止塑性变形的小小的力量,但是反复施加应力时,金属可能被破坏(被称为微细的应力集中)。飞机出事时,有时候也是某部分的金属疲劳引起。对自行车来说,由于金属疲劳的原故,可能出现强度不能保持。例如,进行DH时产生的冲击缩短了自行车的寿命。若感觉到踩踏时不那么顺利前进时很有可能是金属已发生疲劳。
焊接部位,如从管道侧(母体)到溶融的部位(溶接部),结晶的特性都会显著变化。为使这些组织均一化,本来应该再次结晶化(详细内容后述)。但是车架加工厂不一定有这种大型炉,另一方面,这种加工使已经冷却过的再次硬化,使得变增强的管道的强度降低。
由于存在上述原因,焊接时采用各种方法来加工。如利用低温焊接等方法制造车架。不管是任何优秀的焊接,,焊接部位(1000°C以上)和另管道侧(室温)之间的温度差,冷却时收缩而发生残留应力。该部位受到应力集中时,可能会产生裂缝。结果自行车骑的时间长时可能会引起金属疲劳,微观的硬化加工也使冲击的吸收性也变得差。
铝合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))


7005,7075合金的机械特性
合金名称 热处理 伸长强度(MPa) 耐力
(MPa) 疲劳强度(MPa) 伸长
(%) E
(GPa)
7005 T53 345 305 130
(7003) 10 74
(7003)
7075 0 230 107 163 17 74
T6,T651 597 526 163 11 74

 
●铝合金车架的优点
 
(1).可以制作重量轻的车架
铝的比重轻但不够硬,为了增强强度把它制成合金并施予热处理。热处理采用时效析出增强法,简单地说,在金属内形成一种妨碍金属变形的物质。在某种高温下进行热处理时,会引起时效析出,若没有经过这个程序的车架,也会引起常温时效。就是说把车架放置在房间内也会逐渐变强。
许多铝合金制车架用6061T6材料来制造。T6标志表示经过热处理、时效。若没有热处理的话强度只能达到1/2,或者1/5的程度。
有7075标志的自行车零件(如XTR曲柄等),严格来讲没有经过热处理。也就是说因没有时效,因此是常温时效。7075合金本来就必要进行热处理,通过热处理其强度可以增加5倍。
另外,7005合金也常用来制造车架,它的强度比不上7075,但是它在常温下也能够进行足够的时效的材料。这种材料也可用Padded加工制成薄料。但是材料本身的强度及杨氏弹性模量低,因此加粗管道直径来提高刚性。通常被称作铝制粗管道的是这种类型。
(2)长时间使用外观不怎么变化铝本身是很容易受腐蚀的金属,在空气中几乎不存在没有被氧化的铝,放置在空气中马上被氧化而形成很薄的氧化膜。为什么不生锈呢?原因是该氧化膜达到一定的程度时防止继续生锈。该氧化膜几乎是无色因此外观上不容易发现变化(有时会发白)。
另一方面,骑这种材料制造的自行车时,骑的次数越多,应力发生的次数也高,强度也显著引起变化。近来为了谋求轻量,许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)。这些都是使用没有疲劳极限的铝合金来制作车架,到底长时间使用后强度变化将是如何呢!Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有喷丸硬化加工(KET处理)的管道,这种加工的目的是延长疲劳的寿命。根据公开的数据,能提高140%。,KET处理是:疲劳破坏是在金属表面上所发生的裂缝为起因,因此用硬化加工技术来提高金属表面的硬度。
●铝合金车架的缺点
1).铝是弹性率及刚性低的材料。因此采用粗的管道,或者改变形状如cross-over管、padded管等。
(2).需要进行热处理
必需进行热处理,否则强度不够。因此一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。尤其是6000系的铝合金管,多数情况*道厂家指定热处理条件。

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 楼主| 发表于 2012-6-19 10:50 | 显示全部楼层
铝合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))

很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点。但是从「轻」来说,当前与铁素材比较相差并不大。老车手对它的反应是「虽轻但易弯曲 」。虽然经过多次改进,但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架,为了提高杨氏弹性模量,加大管道外径,使用扁平管,或者对铝管进行热处理等,制造出轻而有刚性的车架,这种最新的铝合金车架对车手来说,具有足够的轻量与刚性。
铝合金是纯铝中加入Mg,Zn,Si,Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点,加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)两种,经过热处理(铝耐高温,在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。
6000系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的机械强度。
7000系是铝合金中最强的材料。尤其是7075是特超硬铝(制造飞机的材料),但是它的焊接难度大,耐腐蚀性差(会发白)等。下表表示使用最多的7005和7075合金的机械特性。表中的有关热处理以如下数字来表示:
-0:完全退火
-T5:人工时效(无溶体化处理)
-T6:溶体化处理后人工时效
-T7:溶体化处理后稳定化处理
-T8:溶体化、硬化加工、人工时效
(右图)i-DRIVE车队用在XC比赛时的铝制轻量型车架,价格约2万元。
6061合金的机械特性
热处理
伸长强度 (MPa)
耐力
(MPa)
伸长
(%)
剪断强度(MPa)
布氏硬度
疲劳强度(MPa)

T5
190
148
12
119
60
67

T6
246
218
12
155
73
67

T83
260
246
11
155
82
-

钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V)

美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是「轻而硬」。早期的钛合金车架,作为比赛用车,刚性不足,其车架不适合于长距离赛车,也不是适用于所有的比赛,只适合用在山岳,或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷,曾经有些热中于轻量化的骑手,把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉,贵而稀有,实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高,价格才较贵。
金属钛比重轻、强度大,同时耐腐蚀性高的材料,一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高,热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。
钛合金的机械性能
合金名称
区分
拉伸强度(MPa)
耐力(MPa)
伸长(%)
E(GPa)

纯钛
JIS 3种
480~620
345
18
105

Grade 4
550
480
15

PTT800
800



UTT75
750



3-2.5Ti
退火
685
590
20


6-4Ti
退火
980
920
14
110

时效处理
1160
1100
10
●钛合金车架的优点
(1).可以制作轻量而强度大的车架
纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒,弹性更高(和铝比较),也有利于设计。
(2).不生锈:钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如,不同种类的合金接合在一起时,成为电极状态,电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏,如商品名:Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失,即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧,接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为「粘住」,它和「烘焙」是不同的。
「粘住、咬合」:金属之间通过腐蚀来接合的现象。
「烘焙接合」:加工金属时所产生的热量来溶融接合。
(3).骑感好
钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架,认为骑感极佳。但是个人各异,有人和铬钼钢比较后认为,铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好,骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进,也许会有和铬钼钢同样的骑感。
有些钛制车架使人感到摇摆,这也许是使用plane管(没有加padded的,厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金,但没有用薄的管等也有关系。
●钛合金车架的缺点
价格高。钛在自然界以二氧化钛的形态存在,提练及加工过程复杂,技术要求高,并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难,因为钛和氧的亲和力极强,和空气接触后马上变成二氧化钛,而二氧化钛硬而脆,该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是:(Tig:钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。由于以上原因钛车架价格很贵。
近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵,这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小,钛的用量少了;优秀的技术员开始用钛来制作车架;制作钛车架的成本降低等原因。
碳纤维 (CERP)

碳纤维车架的特征是「轻、不弯曲、冲击吸收性好」,但是,充分发挥碳纤维的优异性能,在技术上看起来不是那么容易,各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题,不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题,但是碳纤维车架还是具有其它素材所没有的优点,可以制造8、9kg左右的轻量自行车,这种碳纤维轻量自行车,登坡时最能体现其优点,登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架,登坡时感到有一种向后拉的力量。
碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻,但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断),因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。(右图)COLNAGO牌的碳纤维车架,2万多元)
●碳纤维车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻,这是它的密度和强的拉伸强度构成的。
捷安特的碳纤维车架非常轻,2000年的型号1.2kg重
(2).冲击吸收性好
碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿,或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能,制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大,有的很硬,因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。
(3).可以制造各种形状的车架
碳纤维的基本成型方法是,在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如TREK的Y车架是著名的。
●碳纤维车架的缺点
(1).复杂的应力计算
构成碳纤维车架的是碳纤维,它的特点是拉伸强度强,但剪断强度弱,加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性),根据计算把碳纤维片重叠成型。加工技术各厂家各异,应选择有经验而可靠厂家的制品是很重要的。
(2).难于更改尺寸
由于作好模具后成型,难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
(3).老化?
使用树脂因此会不会老化?这是一个存在的课题,它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。最好不要放置在阳光下。
 

金属为基体的混合物(M2,MMC)
 
金属为基体的混合物是在铝素材中混入陶瓷粉末或者纤维等物体,使它析出增强,制造出强度大的材料。它的强度比铝合金强许多,是一个新的素材。有的混入氧化铝粉末。M4指的是再多加入两种合金,用这种材料制成的车架冲击吸收性更好。
●金属为基体的混合物车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
它和铝合金比较,拉伸强度大,极薄的管也能保持强度,因此车架很轻。这种轻是有刚性的轻。
(2).刚性高
如SPECIALIZD的M2车架使人感到很结实,管的直径也大,刚性也好。
●金属为基体的混合物车架的缺点
(1).焊接
关于这方面的资料很少,看实物焊珠部分正常,但是GUSSET就年年大型化。补强的目的是什么?尚未清楚。陶瓷粉末在铝母体中均衡地存在,进行焊接时陶瓷粉末能否均衡分散是个非常困难的事,能获得何等程度的机械强度是大家所关心的事,总之,由GUSSET补强已达到相当的水平。
(2).冲击吸收性差
关于这一点很多人有同样的感觉,前部有避震器因此个人的感觉会有差异,但是后部非常明显,冲击力太大,会腰痛的。该材料的车架不适合于长途骑行。但是在时间短的比赛中能发挥威力。

镁合金

镁的比重很轻(1.74),约铁的1/5,钛的2/5,铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里,如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。
●镁合金车架的优点
(1).可以制造重量轻的车架
它比铝密度低,可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些,但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量,将来可能会被镁合金取代??钛和镁的研究课题稍不同,这两种金属今后仍然会活跃下去。
(2).加工性好
镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话,剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。
●镁合金车架的缺点
(1).耐腐蚀性如何?
生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。但是这方面的资料当前还很少,耐腐蚀性好到何种程度难于判断。镁是剧烈氧化的金属,不小心操作错了很容易爆炸,纯镁一般不能使用,添加其他金属(铝、锌、锰等)制成合金来使用,制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。有些人曾经使用过镁合金制用具,如摩托车的曲柄套等、他们说:「虽然用了很久,但是很好,不会象铝般发白。
(2).镁的杨氏弹性模量(决定刚性的因素)比铝低许多,要增加其刚性管的直径要大,这可能会影响对空气的阻抗。
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