认识自行车材料
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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)。
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材料的常用知识
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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=σ=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
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杨氏弹性模量(GNm^-2)
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铬钼钢 (低合金钢)
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200-207
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铝合金
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69-79
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钛
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116
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钛合金
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80-130
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碳纤
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70-200
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镁合金
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41-45
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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。
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屈服强度、拉伸强度
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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
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拉伸强度((MPa,N/mm^2)
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SCM415 (铬钼钢)
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834以上
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6061 (6000系铝合金)
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无热处理的场合 100以上 有热处理的场合(T6) 246以上
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7005 (7000系铝合金)
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有热处理的场合(T6) 345以上
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7075 (特超硬铝,飞机合金)
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无热处理的场合 230以上 有热处理的场合(T6) 597以上
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CPTi (纯钛)
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有热处理的场合(T6) 597以上 用的较多的纯钛为如下: PTT800 800 Grade4 588~753 UTT75 753
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3-2.5Ti (3%Al-2.5V Ti合金)
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685以上
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6-4Ti (6%Al-4V Ti合金)
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有热处理的场合 (时效)1160 无热处理的场合 980
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密度
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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。
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用在自行车上的材料
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密度(g/cm^3)
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铬钼钢(低合金钢)
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7.9
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铝合金
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2.6-2.9
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钛
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4.5
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钛合金
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4.3-5.1
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碳纤 (CFRP)
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1.5-1.6
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镁合金
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1.7
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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。
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增强材料
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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。
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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。
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析出强化
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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,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。
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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)。利用此方法的有管道拉拔和喷丸硬化(SHOT PEENING)。
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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)。
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铬钼钢 (Fe-Cr-Mo)
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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)。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。 (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。
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铝合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))
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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。 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 (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
热处理
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伸长强度 (MPa)
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耐力 (MPa)
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伸长 (%)
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剪断强度(MPa)
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布氏硬度
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疲劳强度(MPa)
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T5
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190
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148
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12
|
119
|
60
|
67
|
T6
|
246
|
218
|
12
|
155
|
73
|
67
|
T83
|
260
|
246
|
11
|
155
|
82
|
-
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7005,7075合金的机械特性
合金名称
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热处理
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伸长强度(MPa)
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耐力 (MPa)
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疲劳强度(MPa)
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伸长 (%)
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E (GPa)
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7005
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T53
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345
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305
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130 (7003)
|
10
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74 (7003)
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7075
|
0
|
230
|
107
|
163
|
17
|
74
|
T6,T651
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597
|
526
|
163
|
11
|
74
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●铝合金车架的优点
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(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,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。根据公开的数据,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。
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钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V)[tr] [td=1,1,671]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。
钛合金的机械性能
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