自行车材料的常用知识

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1、材料的常用知识首先了解一下金属材料的常用语。 应力以及变形应力以及变形(1).应力的定义=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

2、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、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自行车材料的拉伸

3、强度用在自行车上的材料拉伸强度(（MPa，N/mm）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 588753UTT75 7533-2.5Ti(Al2.5V Ti 合金)685 以上6-4Ti（AlV Ti 合金）有热处理的场合 (

4、时效)1160 无热处理的场合 980密度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/cm3）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

5、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

6、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，

7、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

8、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)。

9、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

10、。 (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

11、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

12、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(1000C 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

13、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

14、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）T5190148121196067T

15、6246218121557367T832602461115582-7005，7075 合金的机械特性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）7005T53345305130 (7003)1074 (7003)T6,T651铝合金车架的优点铝合金车架的优点(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

16、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