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自行車的材料及性能
2009-12-15 16:47:55
出處 : 百度自行車吧
作者 : 車友
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自行車的材料有已往使用的鉻鉬鋼以外、還有鋁、鈦、碳纖、鎂等不斷出現(xiàn)新材料。出現(xiàn)了不少用這些新材料制成的車架。關于金屬合金材料的書很多，但是不是專門介紹自行車的材料，在此簡單介紹自行車的材料，供車友們參考。
材料的常用知識
首先了解一下金屬材料的常用語。
應力以及變形
�。�1）。應力的定義=σ=負荷/斷面積 （即：單位面積上所能承受的重量）
雖然負荷大，但是可以增加厚度來降低斷面積上的應力。從這里也可知為什么鉻鉬鋼、鋁、鈦管的厚度不同。
（2）。受應力之后，用于車架的材料會變形。其變形可分為彈性變形和塑性變形。
彈性變形：雖然變形，但是除去應力后恢復原狀。
塑性變形：變形后除去應力也無法恢復原狀。
�。�3 .彈性率：彈性率所指的是像彈簧一樣變形的材料的低抗程度。彈性率高的材料硬，承受負荷后變形也少；彈性率低的材料較軟，承受負荷后變形較多。作為自行車的材料，有些部位需要變形多些，有些部位需要變形少些。
彈性率以楊氏彈性模量來表示。數(shù)據(jù)越大彈性率越高。下表為自行車的各種材料的楊氏彈性模量。
楊氏彈性模量
在自行車上的材料 楊氏彈性模量（GNm^-2）
鉻鉬鋼 （低合金鋼） 200-207
鋁合金 69-79
鈦 116
鈦合金 80-130
碳纖 70-200
鎂合金 41-45
從上表可知鉻鉬鋼的彈性率最高，鎂合金的彈性率最低。彈性率將決定材料剛性的強弱，對自行車來說該數(shù)據(jù)是很重要的。
屈服強度、拉伸強度
屈服強度：是彈性變形的極限，也叫屈服點。增加應力到一定程度時成為塑性變形，也就是變彎了。
拉伸強度：指的是增加應力到一定程度時不單是成為塑性變形，還被拉斷。
自行車材料的拉伸強度
用在自行車上的材料 拉伸強度（（MPa，N/mm＾２）
SCM415 （鉻鉬鋼） 834以上
6061 （6000系鋁合金） 無熱處理的場合 100以上
有熱處理的場合（T6） 246以上
7005 （7000系鋁合金） 有熱處理的場合（T6） 345以上
7075 （特超硬鋁，飛機合金） 無熱處理的場合 230以上
有熱處理的場合（T6） 597以上
CPTi （純鈦） 有熱處理的場合（T6） 597以上
用的較多的純鈦為如下：
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） 有熱處理的場合 （時效）1160
無熱處理的場合 980
密度
密度是單位體積的重量。密度是決定車架的重量時重要因素之一。設計輕的車架時不可勿視的數(shù)據(jù)。但是密度小不等于車架輕。
用在自行車上的材料 密度（g/cm＾3）
鉻鉬鋼（低合金鋼） 7.9
鋁合金 2.6-2.9
鈦 4.5
鈦合金 4.3-5.1
碳纖 （CFRP） 1.5-1.6
鎂合金 1.7
增強材料
重排：所指的是在金屬結晶中會產(chǎn)生的移動現(xiàn)象（原子間存在間隙，使結晶移來移去）。發(fā)生重排現(xiàn)象時金屬會變形。強化材料也就是想辦法制造出不要發(fā)生重排現(xiàn)象的結構。在此介紹4種強化材料的方法。固溶體強化、析出強化、通過硬化加工來增強、結晶體的微細化來增強。
固溶體強化
在鐵等母體材料中熔入鉻、鉬等，使母體材料變成不同半徑的結晶構造。此時的原子稱為固溶體。在此舉個例來說明這種現(xiàn)象。比母體的原子半徑小的原子進來時發(fā)生的現(xiàn)象。
「在電梯里已有9位大漢子已相當擁齊，此時進來了小孩，為了防止小孩被擠壞，漢子們開始靠向四周」。
比母體的原子半徑大的原子進來時
「在電梯里已有9位大漢子已相當擁齊，其中有一個人下了電梯，但是又進來了肥胖的大娘，此時漢子們又開始靠向四周」。如上述現(xiàn)象在結晶體四周發(fā)生了應力，使得重排現(xiàn)象變小了。利用這個方法的是鉻鉬鋼。
析出強化
當前，自行車材料中的鋁合金制品普遍受到歡迎。增強鋁的方法將在鋁項目中記述，在此只講強化的原理。固溶在金屬中的添加物，會產(chǎn)生飽和狀態(tài)（不完全溶解），添加的量超過飽和狀態(tài)時，因未能完全溶解而析出。
具體地說，提高溫度時飽和量也增加，完全溶解的瞬間開始慢慢冷卻時，能析出大的結晶。用食鹽來做實驗會看到這個現(xiàn)象，食鹽的場合，急速冷卻時析出細小的鹽結晶，但是金屬一般不會析出，若冷卻速度快時，不會析出而強迫使它固溶。
對處于此狀態(tài)下的金屬，逐漸提高它的溫度時慢慢析出。在此需要注意的是過于析出不可，析出不夠也不行，溫度過高、過低也不可以，該溫度叫作熱處理溫度（也稱作人工時效處理）。最理想的是析出的結晶細而均一，從而阻止重排，材料不容易變形。舉個例子：「走在森林里，若大樹較多時容易走路（大的析出物），密密麻麻小樹多的話不容易走（細小的析出物）」，和這個道理一樣細小的析出物較難重排。
硬度加工來增強的方法
對材料進行加工就產(chǎn)生重排現(xiàn)象，也就產(chǎn)生材料的變形。各種材料的重排現(xiàn)象是極為復雜，不在此記述，簡單地說：重排后不是整齊地排隊，而復雜地嚙在一起的話，材料的變形就困難了。如馬路上走路時，走路的人不斷增加（重排的增殖），就難于前進（重排移動變得困難，從而不容易變形）。利用此方法的有管道拉拔和噴丸硬化（SHOT PEENING）。
結晶體的微細化來增強
結晶在高溫下完全溶解后，急冷時得到微細的組織。這個過程叫作淬火。結晶變微細后，重排移動的連續(xù)性就難于保持，結果材料得到了增強。（比方：人能活動的范圍變小了）。
鉻鉬鋼 （Fe-Cr-Mo）
在自行車的100年歷史當中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。鐵制車架的最大特征是可在各種成份，各種粗細厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進行加快。因此可以選擇最適合于的尺寸、剛性、騎感的車架，這對于數(shù)毫米的差異也敏感的老車手來說是很有好處的。它的最大的缺點是比起其它的素材重（過去）。但是最近的鐵素材車架經(jīng)過熱處理，把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。
鉻鉬鋼是鉻、鉬的合金。它的性能如下：
○淬火性好。
○對回火處理的抵抗性大。
○回火脆性傾向少。
○高溫加工性好，加工后美觀。
○熔接性好。
●鉻鉬鋼車架的優(yōu)點
（1）。加工性好
鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架，因此對它的研究時間也最長。現(xiàn)在能做到車架所需強度的極薄的管道。
�。�2）。沖擊的吸收性能好
騎感極好，如「像彈簧般的騎感」。構成車架的鉻鉬鋼管道有優(yōu)異的吸收沖擊的性能。
�。�3）。焊接容易
鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易�？梢栽O計成名種形狀。另外，焊接后也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設備，成本低。
（4）。價格便宜
雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價格貴，但一般價格便宜。也可以說，用便宜的價格買到高擋次的車架。
●鉻鉬鋼車架的缺點
�。�1）。容易生銹
車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少（不銹鋼含有12%的鉻）的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時容易生銹。但是一般都有進行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓薄，生銹后的影響將會非常大。生銹→肉壓減少→強度下降（應力集中）。
�。�2）。金屬的疲勞顯著（應力集中引起的金屬疲勞）
若使用肉薄的鉻鉬鋼車架時需要注意！當然金屬疲勞這個現(xiàn)象任何金屬都會產(chǎn)生包括鋁等在內。金屬疲勞現(xiàn)象簡單地說：金屬雖然具有防止塑性變形的小小的力量，但是反復施加應力時，金屬可能被破壞（被稱為微細的應力集中）。飛機出事時，有時候也是某部分的金屬疲勞引起。對自行車來說，由于金屬疲勞的原故，可能出現(xiàn)強度不能保持。例如，進行DH時產(chǎn)生的沖擊縮短了自行車的壽命。若感覺到踩踏時不那么順利前進時很有可能是金屬已發(fā)生疲勞。
焊接部位，如從管道側（母體）到溶融的部位（溶接部），結晶的特性都會顯著變化。為使這些組織均一化，本來應該再次結晶化（詳細內容后述）。但是車架加工廠不一定有這種大型爐，另一方面，這種加工使已經(jīng)冷卻過的再次硬化，使得變增強的管道的強度降低。
由于存在上述原因，焊接時采用各種方法來加工。如利用低溫焊接等方法制造車架。不管是任何優(yōu)秀的焊接，焊接部位（1000°C以上）和另管道側（室溫）之間的溫度差，冷卻時收縮而發(fā)生殘留應力。該部位受到應力集中時，可能會產(chǎn)生裂縫。結果自行車騎的時間長時可能會引起金屬疲勞，微觀的硬化加工也使沖擊的吸收性也變得差。
鋁合金 （Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-（Cu））
很久以前就有用鋁合金制作的車架。輕而價格低是它的優(yōu)點。但是從「輕」來說，當前與鐵素材比較相差并不大。老車手對它的反應是「雖輕但易彎曲 」。雖然經(jīng)過多次改進，但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架，為了提高楊氏彈性模量，加大管道外徑，使用扁平管，或者對鋁管進行熱處理等，制造出輕而有剛性的車架，這種最新的鋁合金車架對車手來說，具有足夠的輕量與剛性。
鋁合金是純鋁中加入Mg，Zn，Si，Cu等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點，加入其他金屬后顯著提高了機械性能。自行車所使用的鋁合金多數(shù)為6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu）兩種，經(jīng)過熱處理（鋁耐高溫，在高溫下能改變性質）可以制成名種各樣的材料。
6000系被認為是耐腐蝕、強度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的機械強度。
7000系是鋁合金中最強的材料。尤其是7075是特超硬鋁（制造飛機的材料），但是它的焊接難度大，耐腐蝕性差（會發(fā)白）等。下表表示使用最多的7005和7075合金的機械特性。表中的有關熱處理以如下數(shù)字來表示：
-0：完全退火
-T5：人工時效（無溶體化處理）
-T6：溶體化處理后人工時效
-T7：溶體化處理后穩(wěn)定化處理
-T8：溶體化、硬化加工、人工時效
�。ㄓ覉D）i-DRIVE車隊用在XC比賽時的鋁制輕量型車架，價格約2萬元。
6061合金的機械特性
熱處理
伸長強度 （MPa）
耐力
（MPa）
伸長
�。ǎィ�
剪斷強度（MPa）
布氏硬度
疲勞強度（MPa）
T5
190
148
12
119
60
67
T6
246
218
12
155
73
67
T83
260
246
11
155
82
