自行车材料的常用知识.docx
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自行车材料的常用知识
材料的常用知识
首先了解一下金属材料的常用语。
OKbike自行车资讯网d0]_r;lP7j.V_{_{_q
应力以及变形
OKbike自行车资讯网7x_lE_D$a2z_[
(1).应力的定义=σ=负荷/断面积 (即:
单位面积上所能承受的重量)OKbike自行车资讯网9v,}8x,M7E
虽然负荷大,但是可以增加厚度来降低断面积上的应力。
从这里也可知为什么铬钼钢、铝、钛管的厚度不同。
%S_Qv_}_X9@_K0
(2).受应力之后,用于车架的材料会变形。
其变形可分为弹性变形和塑性变形。
;U_a_k6O5|+r_o0弹性变形:
虽然变形,但是除去应力后恢复原状。
OKbike自行车资讯网O_d_y_u_F7E'b_q_eg_K
塑性变形:
变形后除去应力也无法恢复原状。
OKbike自行车资讯网6RKt.____W
(3.弹性率:
弹性率所指的是像弹簧一样变形的材料的低抗程度。
弹性率高的材料硬,承受负荷后变形也少;弹性率低的材料较软,承受负荷后变形较多。
作为自行车的材料,有些部位需要变形多些,有些部位需要变形少些。
_Mcr
t_Y1F_F8T0弹性率以杨氏弹性模量来表示。
数据越大弹性率越高。
下表为自行车的各种材料的杨氏弹性模量。
VG_q6k#~_m_}8v_h1h0
杨氏弹性模量OKbike自行车资讯网0j_N_x!
a_^{3q(}b
用在自行车上的材料
_t%Y_jy_O0
杨氏弹性模量(GNm^-2)OKbike自行车资讯网g_s6K8d&[_J_T
铬钼钢 (低合金钢)
200-207
铝合金
69-79
钛
116
钛合金
80-130
碳纤
70-200
镁合金
41-45
从上表可知铬钼钢的弹性率最高,镁合金的弹性率最低。
弹性率将决定材料刚性的强弱,对自行车来说该数据是很重要的。
屈服强度、拉伸强度
屈服强度:
是弹性变形的极限,也叫屈服点。
增加应力到一定程度时成为塑性变形,也就是变弯了。
_]_[4fQ,g9\0`_n_n0拉伸强度:
指的是增加应力到一定程度时不单是成为塑性变形,还被拉断。
o_z_F*z_S)Q6Ob0自行车材料的拉伸强度OKbike自行车资讯网?
_v2D_~+C(w
用在自行车上的材料OKbike自行车资讯网_oV:
]_Dz_Z_B7\_k_o
拉伸强度((MPa,N/mm^2)
6b_i_U_I#F_c0
SCM415 (铬钼钢)
834以上
6061(6000系铝合金)
无热处理的场合 100以上
_v5q_S-S_T*J9Y0有热处理的场合(T6) 246以上
_a8T;o*u+F0
7005(7000系铝合金)
有热处理的场合(T6)345以上
_c}2j6p_`V_w_N6]N"c0
7075(特超硬铝,飞机合金)
无热处理的场合230以上OKbike自行车资讯网.Lk_A;j_Ju9G
~_Z
有热处理的场合(T6)597以上OKbike自行车资讯网X_Z_y_|$h_v_a_E6yA_f8{
CPTi (纯钛)
有热处理的场合(T6) 597以上
_Q_y
z7t"O:
c!
yW3L0用的较多的纯钛为如下:
_`%E_X_K_Kq0H0PTT800800
a_]-f)D&a0Grade4588~753OKbike自行车资讯网_X_F_v$U7{+p_A
UTT75753OKbike自行车资讯网_y_j*u_w*u/A9b
3-2.5Ti(3%Al-2.5VTi合金)
685以上OKbike自行车资讯网7M(Ga4C_}(|3i:
N_q
6-4Ti(6%Al-4VTi合金)
有热处理的场合 (时效)1160
4Q_W_z/{_N0无热处理的场合 980OKbike自行车资讯网_L_F[.O7q2rV_g3o
密度
密度是单位体积的重量。
密度是决定车架的重量时重要因素之一。
设计轻的车架时不可勿视的数据。
但是密度小不等于车架轻。
用在自行车上的材料
密度(g/cm^3)
铬钼钢(低合金钢)
7.9
铝合金
2.6-2.9
钛
4.5
钛合金
4.3-5.1
碳纤 (CFRP)
1.5-1.6
镁合金
1.7
从上表可知铬钼钢密度最高,镁合金最低。
密度低的话,可以制作轻车架,假若这样认为的话只讲对了一半。
还要老虑拉伸强度、弹性率等因素。
虽然密度低,但是强度不够的话也不行,密度低1/3不等于重量也轻1/3。
增强材料
重排:
所指的是在金属结晶中会产生的移动现象(原子间存在间隙,使结晶移来移去)。
发生重排现象时金属会变形。
强化材料也就是想办法制造出不要发生重排现象的结构。
在此介绍4种强化材料的方法。
固溶体强化、析出强化、通过硬化加工来增强、结晶体的微细化来增强。
固溶体强化OKbike自行车资讯网e_f,T{_y-c_S$n_P
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。
OKbike自行车资讯网W8q_x9FSK
「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」。
9_%b_q0[H_~_C0比母体的原子半径大的原子进来时OKbike自行车资讯网(J1U_rw)N_F
「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。
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。
6u_q'Z2~_iR_XZ0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。
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_d+~/v_b
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
5R_R_F_[_d_a_P_K&X_w_F0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(SHOTPEENING)。
结晶体的微细化来增强OKbike自行车资讯网_R_?
2k'd_{)a
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)。
_j8x_B&EZ_Q;S0 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。
Z_{4C"K/b0铬钼钢是铬、钼的合金。
它的性能如下:
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v7Nq
○淬火性好。
OKbike自行车资讯网_q"P_^:
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○对回火处理的抵抗性大。
OKbike自行车资讯网_Y.O!
p_C{+F1S_W%H-s_|
○回火脆性倾向少。
|B6b3U_y_c`0○高温加工性好,加工后美观。
OKbike自行车资讯网*z"?
_`8vD_H
○熔接性好。
g_f-L_A_Y)R0(右图)BRIDGESTONEANCHOR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。
_FW
D_Vrs'V0●铬钼钢车架的优点
@2BR_M
s(`0
(1).加工性好OKbike自行车资讯网_C!
S2U_O_C_j
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。
OKbike自行车资讯网h#f_d3TS9h/U!
f_w(f
(2).冲击的吸收性能好OKbike自行车资讯网*U_E_E_mb)R
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。
_E_@_O_pzl_W_Z0(3).焊接容易
_Y#K0T4]_N:
?
0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。
OKbike自行车资讯网$JS*|)yE
(4).价格便宜
_`_]_B_J_a8W&D0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。
_u;D0{!
y_G_A1Z5F%d0●铬钼钢车架的缺点
_Sb_i(I6t_UA9x"x0
(1).容易生锈
'l#|9A-]k_r*H0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)。
OKbike自行车资讯网q_J6e_L_uJ#r
(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)OKbike自行车资讯网_v_G;Y9@&K_R9n
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。
mCA_o.t___S_~_\0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。
OKbike自行车资讯网_i7n_Az_L_QJ
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。
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。
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。
OKbike自行车资讯网L_R5h5q-S7W+s_i5A_c_C
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。
#j%a-q_U_z_o8b:
e06000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。
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#D4X
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:
*v%R_h)g"m7}0-0:
完全退火
Ib9T_c1k(s0-T5:
人工时效(无溶体化处理)
_K4N_h#U_e0-T6:
溶体化处理后人工时效OKbike自行车资讯网_`8m_P_Q6d_K_Z
-T7:
溶体化处理后稳定化处理
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Br-M_]pBr:
m0-T8:
溶体化、硬化加工、人工时效OKbike自行车资讯网_J_f5X!
K.y
(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。
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6061合金的机械特性OKbike自行车资讯网&M_r_c%`B6FHS
热处理)j_t3Tz'f(P"Q0
伸长强度
(Mpa)
耐力OKbike自行车资讯网_}_S!
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(MPa)_Zn)e&M\3vV0
伸长
(%)OKbike自行车资讯网5Z#Eo_b_E/F*\^j'S6\$K.p8n_C+T0
剪断强度
(MPa)(t8w:
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布氏硬度%W3v_q(E0m_{_A0
疲劳强度
(MPa)j_K'[___K1mz8@9C4Y0
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7005,7075合金的机械特性OKbike自行车资讯网_r_QS7P3k*j"m:
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合金名称
热处理
伸长强度
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耐力
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疲劳强度
(MPa)
伸长
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(GPa)
7005
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(7003)
10
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P_K(b+p5K_A_~0(7003)
7075
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230
107
163
17
74
T6,T651
597
526
163
11
74
铝合金车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
_f_e7w_F_Z_c1d_iB0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。
OKbike自行车资讯网2`7x1l__&M2U
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。
OKbike自行车资讯网7y_H_hQ6}*X_r_i
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。
OKbike自行车资讯网X_F7T!
Y_y_D#^_E1\
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。
OKbike自行车资讯网_d;v8Q2m*z_M,kQ'O
(2)长时间使用外观不怎么变化OKbike自行车资讯网_A8U_V__4B_P
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)。
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tJ5@0?
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。
OKbike自行车资讯网!
R_D;F.G_b*[;d
铝合金车架的缺点
_~_|_R'y$Y?
Z01).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。
OKbike自行车资讯网_m6]_t,e_d6?
_X_J
(2).需要进行热处理OKbike自行车资讯网_x;Y$k4\[_K9Jv3|'u
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。
OKbike自行车资讯网$?
4h_N_d_g*A'kQ7_8y
钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V)
美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。
钛合金给人的印象是「轻而硬」。
早期的钛合金车架,作为比赛用车,刚性不足,其车架不适合于长距离赛车,也不是适用于所有的比赛,只适合用在山岳,或者Bigreces,Timetraial等需要轻型车的特定的场合。
开始时钛合金使一些人着迷,曾经有些热中于轻量化的骑手,把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。
钛金属给一些人错觉,贵而稀有,实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。
只是由于合金的制作成本高,价格才较贵。
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l_U_Jz_[_Q9v0金属钛比重轻、强度大,同时耐腐蚀性高的材料,一般用在特殊的环境里。
在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高,热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。
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钛合金的机械性能OKbike自行车资讯网_G1x5s0wz#Q*h;Q_?
合金名称j_F-f"R)z2[]
P_q0
区分OKbike自行车资讯网'T1\_n)j.R(]${
拉伸强度(MPa)_c_]Z2`N_`4r0
耐力(MPa)$|_I*Z_j_W!
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伸长(%)OKbike自行车资讯网;TU*C`3B6s3r
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纯钛_}0W1A(o-{;uf_p.F_Z0
JIS3种_P_Q_P(D6k_L_q_r0
480~620_M(c2Z_s:
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时效处理OKbike自行车资讯网_O_]_i(Qc_`
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钛合金车架的优点OKbike自行车资讯网2U_uO'i_a!
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(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。
OKbike自行车资讯网0v_m_D_^#`1E3L
(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