观察自行车,由哪些材料制的,分别利用这些材料何种性质,选用原有材料与替代材料的优缺点各是什么

观察自行车,由哪些材料制的,分别利用这些材料何种性质,选用原有材料与替代材料的优缺点各是什么
观察自行车,由哪些材料制的,分别利用这些材料何种性质,选用原有材料与替代材料的优缺点各是什么

观察自行车,由哪些材料制的,分别利用这些材料何种性质,选用原有材料与替代材料的优缺点各是什么
先说后面的,现在的自行车都用了不同于最早的自行车材料,譬如现在很多车架都是铝合金的,最早的是钢的,特别重.一般来说,现在的趋势是追求轻量,人们正在寻找在相同强度下更轻的材料来作车架包括零件.
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.
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/cm＾3）
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.
●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)
●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,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.
●钛合金车架的优点
(1).可以制作轻量而强度大的车架
纯钛金属的强度更高.在钛金属中添加铝和钒,弹性更高(和铝比较),也有利于设计.
(2).不生锈：钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀.但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀.例如,不同种类的合金接合在一起时,成为电极状态,电位差使局部通电引起腐蚀.对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏,如商品名：Ti Plepu等).这种金属粉末防止脂膏流失,即使流失后也用来防止紧密接触.这种金属粉末有导电性也不要紧,接触后被较小的荷重破坏掉.这种现象称为「粘住」,它和「烘焙」是不同的.
「粘住、咬合」：金属之间通过腐蚀来接合的现象.
「烘焙接合」：加工金属时所产生的热量来溶融接合.
(3).骑感好
钛也用在避震器的弹簧上.现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行.有些车手酷爱钛制车架,认为骑感极佳.但是个人各异,有人和铬钼钢比较后认为,铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好,骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关).假若钛管的加工技术得到进一步改进,也许会有和铬钼钢同样的骑感.
有些钛制车架使人感到摇摆,这也许是使用plane管(没有加padded的,厚薄不能变化的管)有关.或者虽使用高强度的钛合金,但没有用薄的管等也有关系.
●钛合金车架的缺点
价格高.钛在自然界以二氧化钛的形态存在,提练及加工过程复杂,技术要求高,并花时间因此成本高.再有溶接加工极为困难,因为钛和氧的亲和力极强,和空气接触后马上变成二氧化钛,而二氧化钛硬而脆,该部分的强度会不断下降.因此用惰性气体小心焊接.通常所说的Tig焊接是：(Tig：钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接.钛的焊接必需隔绝空气下进行.由于以上原因钛车架价格很贵.
近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵,这说明钛合金车架的价格下降了.其因是冷战结束后军费缩小,钛的用量少了；优秀的技术员开始用钛来制作车架；制作钛车架的成本降低等原因.
●碳纤维车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度.碳纤维车架非常轻,这是它的密度和强的拉伸强度构成的.
捷安特的碳纤维车架非常轻,2000年的型号1.2kg重
(2).冲击吸收性好
碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿,或者特殊的弹簧等被用在各领域.利用它的吸收冲击力优异的性能,制作不用避震器的自行车.如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的.但是各个厂家之间的品质差异较大,有的很硬,因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好.
(3).可以制造各种形状的车架
碳纤维的基本成型方法是,在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固.可以制成各种形状的车架.如TREK的Y车架是著名的.
●碳纤维车架的缺点
(1).复杂的应力计算
构成碳纤维车架的是碳纤维,它的特点是拉伸强度强,但剪断强度弱,加工时需要进行复杂的应力计算(纵刚性、横刚性),根据计算把碳纤维片重叠成型.加工技术各厂家各异,应选择有经验而可*厂家的制品是很重要的.
(2).难于更改尺寸
由于作好模具后成型,难于更改尺寸.无法相应多尺寸多款式的订单.
(3).老化?
使用树脂因此会不会老化?这是一个存在的课题,它放置在阳光下时会逐渐变白.当然这种现象关系到厂家的技术.最好不要放置在阳光下.
●镁合金车架的优点
(1).可以制造重量轻的车架
它比铝密度低,可以制造轻的车架.杨氏弹性模量稍微低些,但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决.使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量,将来可能会被镁合金取代?钛和镁的研究课题稍不同,这两种金属今后仍然会活跃下去.
(2).加工性好
镁制车架加工不会差.切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话,剪断、溶接性可能不会差.和钛比较起来加工性好.
●镁合金车架的缺点
(1).耐腐蚀性如何?
生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好.但是这方面的资料当前还很少,耐腐蚀性好到何种程度难于判断.镁是剧烈氧化的金属,不小心操作错了很容易爆炸,纯镁一般不能使用,添加其他金属(铝、锌、锰等)制成合金来使用,制成的镁合金强度、机械性能都得到提高.有些人曾经使用过镁合金制用具,如摩托车的曲柄套等、他们说：「虽然用了很久,但是很好,不会象铝般发白.
(2).镁的杨氏弹性模量(决定刚性的因素)比铝低许多,要增加其刚性管的直径要大,这可能会影响对空气的阻抗?.
(3).成本如何?镁已经用在笔记本电脑的框体上,用它来制作车架成本将是如何?现在尚未知.
车架的寿命
设计自行车管道时,增加应力的话,不得不增加管壁的厚度.疲劳极限高而薄管壁的加工方法,目前主要采用Padded加工方法,这种方法是：发生集中应力的部位如接合部位,按理应增加该部位的厚度,但是不增加厚度,代替它的方法是,减少应力小的管道的中心部位的管壁的厚度.在此举几个薄壁管道的例子.
高级铬钼钢管：中央部位的管壁厚度为0.5mm.Dedacciai公司的最高级铬钼钢管的管壁厚度为0.4mm.
铝制车架：Dedacciai公司的最高级铝管SC61-10A的管壁中央的厚度为0.8mm.最便宜的铝制车架的管道的厚度为1.8～1.3mm,可见Dedacciai公司的最高级铝管的厚度多么薄!这种薄的管使人感到强度行不行呀!
钛制车架：关于钛制车架有Panasonic的0.6mm厚度.另外,在钛制车架方面最著名的美国Litespeed公司,该公司的广告用语是：我们的钛合金的疲劳寿命可达到铝、铁的5倍.
作为自行车运动爱好者来说,能够骑上把管壁加工至极限的薄而轻的车子是可以接受的,但是乘骑的次数越多,强度越下降,年年要换新的车子的话,薄料的车子有什么用呢,当然专业选手就不同了,他们有练习用车及比赛用车.是否能够维持性能特性的车架应成为选择车架的条件?
●材料的选择
已经介绍了几种自行车材料,总地来说,骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的,冲击吸收性最好的是碳纤.钛合金制的上述各种性能都不是最好的,但是为什么对它感兴趣呢?因为它是有前途的金属.
●铬钼钢已经使用了很久,对它的研究也最多,除非有什么突破,铬钼钢的前途可想而知的了.使用适正厚度的管道时重量是会增加,但是不容易引起金属疲劳,这种车能带给车手极佳的骑感.有些自行车竞技必需用铬钼钢制的车子,因为它很结实,容易操作.这种车子才是铬钼钢本来的面貌.有些薄壁的铬钼钢车子,金属表面很容易凹进去,那种车子是不行的.单纯地追求薄壁的管道的现在,铬钼钢应该走自己的道路,充分发挥其优势,否则很可能被其他材料淘汰.
●自行车用铝管,当前的设计方针很危险,铝是没有疲劳极限,为了降低应力应该增加厚度.但是为了单纯地谋求薄壁,使用强勒的新合金来制作车架.从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉,但是疲劳寿命将是如何呢?铝管的薄壁程度已经到了极限,不可能再薄下去.结果它的命运将和铬钼钢一样.进一步来说,骑车摔倒时,因它塑性变形量少,破断时很可能发生一口气的脆性破坏.今后铝制自行车向那一个方向发展呢?我认为可能会成为比赛专用自行车的素材.若用铝制自行车来练习,一定会感觉到性能的降低显著.
●碳纤维制自行车是有前途的,通过应力计算会找到最适合的加工条件.另外是信心问题,假若厂家应该提供可信赖的割裂、耐用等数据时,需要量会增加.当前尚存在各种问题.
●钛管还有发展的余地,强度可能会超过铬钼钢,现在已能制造1.5kg的车架,将来一定会出现1kg的车架,钛必定会夺去铝的\"轻量王\"的宝座.另外,钛不需要涂漆,可减少这部分的重量(20～40g).将来最理想的是钛制自行车?这只是纸上谈兵,和车友们一起探讨.笔者所选择的钛合金是下述的β合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (在TI中添加15%的Mo,5%的Zr,3%Al).
其他材料如镁、不锈钢等不在此记述.这些材料也许将来会有新的突破也说不定.