自行车车架材料说明书.doc

自行车车架材料说明书车架材料最早是使用铬钼钢，然后进化到使用铝合金，再然后是复合材料的使用如碳纤维。厂商不断的在研发新材料配方，提升管件和结构设计能力，并创新加工技术。为的就是让车架更轻、更强、更舒适和更美观。目前，制造自行车车架的材料主要有以下几种：钢，铝合金，钛合金，镁合金，钪合金，碳纤维等等，一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维。一、 技术指标要了解这些材料的特性，就有必要知道一些基本的概念和参数。 1强度（STRENGTH）假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生永久的变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全回复原状，即所谓的降伏(yield)。使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度。强度和车架的耐用度相关但和骑乘品质无关。强度(strength)由材料的降伏强度(yieldstrength)决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份(某些品牌型式)有相当大的关系。 2刚性 (STIFFNESS)假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性。刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。刚性决定于材料的弹性系数，而相当重要的是弹性系数和金属的品质及其合金的成份无关。举例来说，所有种类的钢，基本上具有相同的弹性系数。3重量 (WEIGHT) 除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。即便你的车架贴着Lite Steel TM(轻量化钢材)，事实上，所有的钢材几乎具有相等的重量。 以下就是我们常见的几种材料的一些特性 弹性系数（刚性）强度（降服点）重量（千克/立方米）钢3046-1627800-8200铝10-1111-59(4-22退火后)2700-3200钛15-16.540-1204500-4700要注意，刚性和重量及材料的品质、热处理或合金成份无关。由上表中我们可以看出，我们用这几种材料做车架，在管材的形状和厚度相同的情况下，铝制车架的刚性只有钢制车架的三分之一，钛制车架也只有钢制车架的二分之一的钢性。也就是说，钢的车架是最结实的。二、 钢钢是一种历史悠久的材料，从最普通的民用自行车到高端的竞赛级车辆，都或多或少的使用着钢材。除了冶炼技术的完善之外，钢也有其它材料所不能代替的优点： 1 加工性能好铬钼钢是历史最悠久的自行车素材，对它的研究时间也最长，因此它的加工技术已经发展到一个相当稳定的程度。 2 强度大从上文中我们可以看出相同体积下的钢材的强度远远大于铝合金和钛合金，因此合格的钢架的强度都可以让人放心。 3 乘骑感舒适钢是一种具有良好的弹性的金属，用钢制作的车架，可以吸收骑行过程中所带来的震动。因此钢架不会向铝架那样让人感觉不舒服，特别适合用来做旅行车架。 4 钢的金属疲劳性要比铝强得多所以在相同的使用条件下，钢架的寿命也会比铝架长得多。 当然，钢架也有其不可克服的缺点： 1重量在极度追求器材轻量化的今天，钢7.85g/立方厘米的质量让所有人对他望而却步。虽然可以使用轻量化的钢材，并且用抽管技术把管壁抽得极薄，可是还是很难把钢架的重量减到1600克以下。而很多铝架的重量只有1400克左右。这也就是在竞赛级别的车架中很少看见钢架的缘故。 2生锈相对于其他的材料，钢是比较容易生锈的。生锈会使钢的强度大幅度的下降，减少使用寿命。所以必须采取种种手段来防止钢材生锈。 所以如果不是追求竞赛级的重量，又考虑车架的耐用程度的话，钢架无疑是很好的选择。随着材料工艺的进步，高质量的钢材其实能够克服重量和生锈的缺点。比如2009年量产的雷诺953，是一种超强的不锈钢材质，它按国防工业要求进行设计，能承受强大的冲击力(张力强度2000MPA)，耐腐蚀，且不易疲劳。此钢材即使抽出0.3mm的超薄车管也不会断裂，以至于可以生产轻质量的车架。常用于制作车架的钢材物理特性如下：（需补充）材料名称弹性系数（刚性）强度（降服点）SCM4154130雷诺853雷诺953三、 铝铝作为一种在运动自行车上使用最广泛的材料，最大的优点就是他的重量。铝的刚性和强度都很低，但是铝可以通过增加单位体积上的材料来弥补这一缺憾，而重量仍然不大。另外相对于其他的运动自行车的高级材料，铝的价格很低。目前使用在高档铝架上的铝材（6000系列、7000系列）都是运用在航天方面的高级铝材。和一般的普通铝材相比，这些铝材无论是在强度还是刚性上都有显著的提高。而且厂家为了保证强度，都采取了使用较粗的管材、增大横截面积的做法，所以大多数的铝车架看起来都很粗犷。铝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，形成致密的氧化膜（三氧化二铝）。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)。以上都是铝的优点，但是这种材料也有两个致命的缺点。1. 铝的金属疲劳性很差 铝材做的自行车架的致命弱点就是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，这也就是为什么在专业的使用强度下一个铝架只能支持2-3年的原因。 2. 铝没有弹性，无法吸收骑行的震动用铝材制作的硬尾车架会把绝大多数的震动直接传递到骑手的身体上。这就使铝车架坐起来相当的颠簸，乘骑的舒适感很差。1. 铝合金铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，但铝不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。热处理采用“时效析出增强法”，即在某种高温下引起时效析出，使金属内形成一种妨碍金属变形的物质。若没有热处理的话强度只能达到1/2，或者1/5的程度。自行车所使用的铝合金多数为6000系（Al-Mg-Si 铝-镁-硅）和 7000系（Al-Zn-Mg-Cu铝-镁-硅-铜)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；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。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。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。为了弥补铝合金没有弹性的缺陷，铝制自行车如果配有完全独立的减震结构用于吸收震动，加上更为厚实和柔软的把和坐垫，利用铝较轻的质量作成更大的截管面积，并在需要强度的地方进行局部的补强，可以获得较好的骑乘体验。所以说，铝是比较成熟的材料，并且在制作全减震车架的时候更有优势。常用于制作车架的铝材物理特性如下：（需补充）材料名称拉伸强度（MPa，N/mm2）6061 (6000系铝合金)无热处理 100有热处理(T6 热处理工艺的含义：-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) 246以上7005 (7000系铝合金)有热处理(T6) 345以上7075 (特超硬铝，飞机合金)无热处理 230以上有热处理(T6) 597以上2. 钪合金钪合金事实上应称为铝钪合金，是在铝合金中加入千分之一的钪而成。钪合金的颗粒非常细，比7005铝合金小100倍，所以加工容易且不容易产生龟裂。另外，钪合金的抗拉强度可达480mpa，比7005铝合金（340mpa）强50，且可焊接。用7005铝合金加钪应用于车架的主体结构，可大幅提升管材的强度和刚性，且能改善焊接热裂的问题。钪合金的物理特性如下：（需补充）3. Fuji A6这是FUJI独家技术，是在6061铝合金中添加了镁、硅、铜以及另一种特有元素所组成的新材料配方。据FUJI宣称其强度和韧性增加了35，并使用特殊方式加工成型和焊接。比7005铝合金更轻、更耐用，管材特殊的分子排列结构能滤掉从车轮传导来的震动。FujiA6的物理特性如下：（需补充）四、 钛钛是一种新兴的金属，这种新材料具有非常优越的性能，是制作顶级车架的最好的材料之一。 1. 钛合金可以制作重量很轻强度又很大的车架，钛的强度和钢差不多，但是重量也只有钢的一半多一点，因此同样强度的钛合金车架会比钢车架轻很多。 2. 钛合金具有非常好的弹性，这使得它在吸收骑行振动方面功不可没。用钛合金制作的车架具有非常良好的舒适性，而且钛是一种具有记忆性的金属，它在自己的形变范围内几乎具有无限的使用寿命，也就是说购买钛合金车架是一种一劳永逸的方法。一般来说，在专业的使用条件下，铝合金车架的使用寿命是2年，钢车架是8年，而钛车架则可以达到20年左右。 3. 在正常的条件下，钛几乎不会发生腐蚀的现象。 有其利就回有其弊，钛合金也有其不可避免的缺点，目前来说最头痛的就是一个字：贵！ 按照金属的含量来说，钛其实并不是稀有金属。可是自然状态的钛元素一般以二氧化钛的形式存在着，提炼加工过程复杂，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。必须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。一般国产的航轮和宝钛的3/2.5的钛合金车架的价格大概在3000元左右，而如果象AIRBONE或者LITESPEED的钛架的价格甚至上万。但是如果考虑到钛架的使用寿命，这个价格也就不会感到那么离谱了。 常用于制作车架的钛合金物理特性如下：（需补充）材料名称拉伸强度（MPa，N/mm2）CPTi (纯钛)有热处理 (T6) 597以上PTT800800Grade4588753UTT757533-2.5Ti（3%Al2.5V Ti合金）685以上6-4Ti （6%AlV Ti合金）有热处理 (时效)1160无热处理 980五、 碳纤维碳纤维作为一种高科技材料使用在自行车上是最近十年的事情。严格来说碳纤维并不是单纯的碳元素，而是碳元素经过编织加工后利用环氧树脂粘和加固的一种混合物。早期的碳纤维由于技术上面的原因，使用的环氧树脂甚至会在阳光下分解。随着科技的进步，这种优秀材料的种种缺点在被逐渐克服。比如德国的K车架就使用了高级的16K的碳纤维，这种碳纤维的强度甚至超过了钢材，并且拥有终身保用的质量承诺。 一般来讲，碳纤维作为自行车的材料拥有以下几个特点：1. 极轻的重量1200克左右的碳纤维公路架已经到处可见了。由于碳的质量仅有1。6克/立方厘米，所以制作1公斤左右的车架已经不在是梦想。 2. 吸收冲击性能好碳纤维可以有效的吸收震动，并且保持很好的刚性。这种特点使得它成为很好的竞赛级的材料。3. 可以制作各种形状的车架和一般的金属车架的制造过程不一样，碳纤维车架一般是先制作模具，然后在模具上付上碳纤片，最后用环氧树脂进行粘固。这种制作过程可以利用空气动力学作成风阻极小的车架。 目前这种材料的毛病主要是以下两点： 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。一般来讲，碳纤维抗面的冲击相当好，而抗穿刺能力就很差了。就是说你横摔竖拍不要紧，就怕的是横摔竖拍的过程中碰到一两块锋利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可以解决的了。 2. 价格昂贵和钛合金相比，碳纤维车架的价格有过之而无不及，向顶级的碳纤维车架的价格都要上万，而科那哥的C40和C50的价格甚至超过2万元。这主要是因为碳纤维车架的制作过程需要很多的手工，并且报废率很高，造成成本的大量上升。 六、 镁合金镁合金的密度为1.7，是铝合金的2/3，钢的1/5，其轻量化优势明显。此外，镁合金也具有强度/重量比佳、耐冲击、耐磨、可回收以及吸震性佳的特征。然而镁合金属于非常活性的高危险性金属，易腐蚀且易氧化，在制造过程中若未有效控制、未先预热，容易发生燃烧爆炸。除了重量和强度之外，镁合金优越的吸震性才是它最吸引人的地方，在5000psi下，镁的吸震效果是铝的25倍。Pinarello采用镁合金AK61和镜面处理技术制造的DogmaFP非常让人眩目。常用于制作车架的镁合金物理特性如下：（需补充）七、 外观识别从外观