自行车材料知识

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1、自行车材料知识认识自行车材料 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=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

2、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(GNmF)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。

3、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人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 （

4、纯钛）有热处理的场合（T6）597以上用的较多的纯钛为如 下：PTT800 800Grade4 588 753UTT75 7533-2.5Ti（3%A1-2.5V 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 密度是单位元体积的重量。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26-29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

5、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

6、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*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*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

7、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。各种材料的重排现像 是极

8、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

9、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

10、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f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

11、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

12、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。

13、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，加入其它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

14、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)T5190148121196067T6246218121557367T8326024611155827005， 7075合金的机械特性合金名称热处理伸长强度耐

15、力疲劳强度伸长E(MPa)(MPa)(MPa)(%)(GPa)7005T53345305130 (7003)1074 (7003)707502301071631774T6,T6515975261631174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，