自行车的材料及性能

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1、自行车的材料及性能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。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=0=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

2、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。諮钳钢1低合金钢！200-207千口 1=1益169-79钛116钛合金80-130碳纤70-200镁合金41-45遇* W 口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

3、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。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。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

4、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

5、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

6、 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

7、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：O淬火性好。O对回火处理的抵抗性大。O回火脆性倾向少。O高温加工性好，加工后美观。O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

8、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f肉压减少一强度下降（应力集中）。（2

9、）.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

10、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（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 （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

11、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

12、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7005， 7075 合金的机械特性2. 铝合金车架的优点2.1 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

13、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

14、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。3. 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 氧化而形成很薄的且非常致密的氧化膜。为什么不生锈呢？原因是该氧化膜达到一定的致密 程度时能阻止空气和水的进一步渗入，从而防止继续生锈。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，

15、许多车架使用薄料来制作（薄的程度已达到极限）。这些都是使用疲劳极限很高的铝合金来制作车架。但是到底长时间使用后强度变化将是如何呢4. 铝合金车架的缺点4.1 铝是低弹性模量、低刚性的材料。因此需要采用粗的管，或者改变形状如 cross-over管、padded管等。4.2 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