认识自行车材料[转帖]

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，供车友们参考。
(此内容是一位海外的自行车运动爱好者于2000年所写的内容的摘要)。

材料的常用知识
	首先了解一下金属材料的常用语。 应力以及变形 (1).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。 (2).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。 (3 .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。 杨氏弹性模量 用在自行车上的材料 杨氏弹性模量(GNm^-2) 铬钼钢 (低合金钢) 200-207 铝合金 69-79 钛 116 钛合金 80-130 碳纤 70-200 镁合金 41-45
	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。

认识自行车材料
自行车的材料有已往使用的铬钼钢以外、还有铝、钛、碳纤、镁等不断出现新材料。出现了不少用这些新材料制成的车架。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，供车友们参考。
(此内容是一位海外的自行车运动爱好者于2000年所写的内容的摘要)。

材料的常用知识

首先了解一下金属材料的常用语。
应力以及变形
(1).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。
(2).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。
(3 .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。

杨氏弹性模量

用在自行车上的材料
杨氏弹性模量(GNm^-2)

铬钼钢 (低合金钢) 200-207
铝合金 69-79
钛 116
钛合金 80-130
碳纤 70-200
镁合金 41-45


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

CPTi (纯钛) 有热处理的场合(T6) 597以上
用的较多的纯钛为如下：
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。在此需要注意的是过于析出不可，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）

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。

[ 本帖最后由 蓝色碳纤维 于 2008-4-1 12:23 编辑 ]

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 - 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，多数情况是管道厂家指定热处理条件。 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