自行车材料比较

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。

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。铁制车架的最大特徵是可在各种成份,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他的素材重(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。

●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))

     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。 
 
 
 
自行车材料简介 
 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

●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,若没有经过这个程式的车架,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。根据公开的资料,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。 
 
自行车材料简介 
 「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)
     碳纤维车架的特徵是「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他素材所没有的优点,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。

●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。

 

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。 
 

 
自行车材料简介 
 (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?。
(3).成本如何?
     镁已经用在笔记本电脑的框体上,用它来制作车架成本将是如何?现在尚未知。

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