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知识贴 认识车架材料和各种强度

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认识自行车材料
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)。
材料的常用知识
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
杨氏弹性模量(GNm^-2)
铬钼钢 (低合金钢)
200-207
铝合金
69-79

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。
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
拉伸强度((MPa,N/mm^2)
SCM415
(铬钼钢)
834以上
6061
(6000系铝合金)
无热处理的场合
100以上
有热处理的场合(T6) 246以上
7005
(7000系铝合金)
有热处理的场合(T6) 345以上
7075
(特超硬铝,飞机合金)
无热处理的场合
230以上
有热处理的场合(T6) 597以上
CPTi
(纯钛)
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
3-2.5Ti (3%Al-2.5V
Ti合金)
685以上
6-4Ti (6%Al-4V
Ti合金)
有热处理的场合 (时效)1160
无热处理的场合
980
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

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。



1楼2012-05-14 13:39回复

    ●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,应选择有经验而可靠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。
    金属为基体的混合物(M2,MMC)
    金属为基体的混合物是在铝素材中混入陶瓷粉末或者纤维等物体,使它析出增强,制造出强度大的材料。它的强度比铝合金强许多,是一个新的素材。有的混入氧化铝粉末。M4指的是再多加入两种合金,用这种材料制成的车架冲击吸收性更好。
    ●金属为基体的混合物车架的优点
    (1).可以制作重量轻的车架
    它和铝合金比较,拉伸强度大,极薄的管也能保持强度,因此车架很轻。这种轻是有刚性的轻。
    (2).刚性高
    如SPECIALIZD的M2车架使人感到很结实,管的直径也大,刚性也好。
    ●金属为基体的混合物车架的缺点
    (1).焊接
    关于这方面的资料很少,看实物焊珠部分正常,但是GUSSET就年年大型化。补强的目的是什么?尚未清楚。陶瓷粉末在铝母体中均衡地存在,进行焊接时陶瓷粉末能否均衡分散是个非常困难的事,能获得何等程度的机械强度是大家所关心的事,总之,由GUSSET补强已达到相当的水平。
    (2).冲击吸收性差
    关于这一点很多人有同样的感觉,前部有避震器因此个人的感觉会有差异,但是后部非常明显,冲击力太大,会腰痛的。该材料的车架不适合于长途骑行。但是在时间短的比赛中能发挥威力。
    镁合金
    镁的比重很轻(1.74),约铁的1/5,钛的2/5,铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里,如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。
    ●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。
    


    6楼2012-05-14 13:41
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      (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。
      锻造和铸造
      制造自行车的部件要经过锻造、铸造、切削、研磨等加工过程,在此简单介绍锻造和铸造。
      锻造:锻造是把棒状、板状等的铁锭加热,然后用锤子打,或者用油压等加压成形。用这个方法加工的比起铸造在拉伸强度、粘性强等方面好许多,可以制成非常好的制品。强度大而薄,材料的浪费也少。是一个很好的加工方法。如剑是用这种方法加工的。缺点是价格贵,不适合于大量生产,加工复杂形状的困难等。
      铸造:铸造是把金属溶融后注入模具中冷却成形。它的优点是可以制造复杂形状的物体,适合于大量生产,价格便宜。如压铸加工可以制造强而复杂形状的制品(照相器的机体、铝制车圈等等。但是强度远远比不上锻造。不能进入模具部分的材料浪费(当然这些材料以循环使用)。
      锻造
      铸造
      单件的成本

      便宜
      强度
      比较强
      比较弱
      用在自行车上的制品
      高级曲柄
      廉价配件
        材料和环境
      何谓腐蚀:腐蚀是金属和环境之间科学地相作用的结果改变了金属的性质,金属与环境,或者构成它们的一部分实用体系机能受到了损伤。简单地说金属表面变质了。对自行车来说金属表面受损伤时会引起生锈,其中铬钼钢车架最为明显。腐蚀自行车的最大原因是下雨,尤其是酸雨的腐蚀性最励害。
      铬钼钢和环境的关系
      涂漆加工粗糙以及没有防锈加工的车架,铬钼钢管表面和涂漆之间开始腐蚀,涂漆部分彭胀起来,或者局部受到腐蚀。若发现自行车受伤,建议把受伤部位擦干净并用锤刀搞平伤口,防锈加工后涂漆。总之伤口是腐蚀的最大原因。
      另外,发生应力多的部位也容易生锈,如焊接周围,弯曲部位等。廉价的自行车,焊接后没有热处理(消除应力退火)就出货,这种自行车若发生生锈,局部或整体不断地腐蚀下去。
      铝和环境的关系
      铝从外观上看起来是相当耐腐蚀的材料。尤其是经过铝表面钝化处理的强度更大。这种处理是除了美化表面外,在铝的表面形成的多孔质地Υ-A1203(氧化铝),用滚水或蒸气处理,封住其孔(如禧码诺XT.XTR)。氧化铝非常耐腐蚀,不被一般的酸溶解(如盐酸、硝酸等),只能溶在氟酸等强酸。它也使用在研磨剂里,不可见它的耐腐蚀性极强。
      碳纤维和环境的关系
      碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素,它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光,日光和环境的温度对它的影响最大。
      钛和环境的关系
      耐腐蚀性极佳(被使用在和原子能有关的部门),不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹干净。用这种材料制作自行车实在浪费??但是钛也有缺点如前述(异种金属腐蚀),如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。
      除了钛之外,其他金属之间也会发生异种金属腐蚀,尤其是坐管部位,例如,把铝制坐管和铬钼钢车架接合在一起而不管它时,接触面变成褐色,甚至于无法把它们解脱下来。
      金属的疲劳度
      自行车和疲劳
      制作自行车车架的材料有铬钼钢、铝、钛、碳纤等。其中用最薄的管来制作的是铬钼钢车架。它的加工性好,材料便宜,骑感好,但它必需制成薄壁管,这种薄壁的管会有较高的拉伸强度和加工性。
      铬钼钢的强度较容易逐渐减弱,也就是较容易疲劳的现象表现在如下。
      


      7楼2012-05-14 13:41
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        (1).同样的冲击力加在各种材料上,铬钼钢薄管所发生的应力最大(容易发生疲劳而引起的破坏)。
        (2).对铬钼钢的研究的历史较长,最大限制地利用它的特性制成极薄壁的管,应力虽然发生的各个局部部位,但是对整个管来说会发生较高的应力。
        (3).由生锈引起的全面腐蚀将会引起管壁的变化,结果这个现象又提高了应力,引起疲劳破坏。
        (4).应力集中在局部而生锈、或者外伤引起的凹处,从该处引起疲劳破坏。
        (5).参加比赛时产生的冲击,使车架发生较高的应力,使用的次数越多,疲劳破坏也逐渐增多。
        以上主要是针对铬钼钢,但是近来铝合金制的车架发展迅速,有许多用薄壁的铝管制作的车架,它们是否上述的铬钼钢制车架一样,发生疲劳破坏呢?尤其是铝没有耐疲劳限度,很小的应力也必定会产生破坏。其应力越大破坏所需时间越短。现在所出售的极薄壁管的铝制车架,厂家都未明确注明其寿命。
        焊接和疲劳
        铬钼钢车架的焊接使用银焊料的焊片焊接较多。铬钼钢管是在再结晶温度下焊接,因此管的强度不会降低,也不会变质。但是所使用焊片加重了管的重量。
        钛管是使用前述的Tig溶接,焊接时所使用的不活性气体的水蒸气、或者不纯物体在溶接时混入的可能性是存在的,这些事可能将成为引起疲劳破坏的原因。溶接不良使得应力集中在溶接部位,也会引起疲劳破坏。
        刚性
        曾经多次提过决定刚性的重要因素是杨氏弹性模量,但是管的外径也会影响刚性。
        最大剪断应力
        车手骑在自行车上面时,复杂的应力加在车架上面。尤其是转向握把,或者站立骑行而使车子摇摆时,假若车子的刚性不足时,骑起来很不舒服的。车架的刚性够不够往往是在这种场合被议论。在此着重讲一讲复杂的应力中,在管道上施于扭等动作时的转矩的情况。在转矩存在的状下,最大剪断应力发生在管的外周,它的公式加下。
        在此τmax是最大剪断应力,M是给管道的外来荷重,Do是外径,Di是内径。所发生的最大剪断应力由外来的荷重和管的外径、内径所决定。从这个公式可以设想:材料本身固有的数据之外,改变外径、内径来得到所能承受的最大荷重。
        下述公式表示管道所能承受的外来荷重。
        刚性比、重量比 在此简单说明加倍外径、内径时的刚性及重量的变化。重量比的计算结果为4倍。2φ表示外径、内径为2倍。
        刚性比的计算结果如下所述8倍。
        从上述计算结果可知,改变外径时重量加大到4倍,强度增加到8倍,效果还是很大的。利用这种方法也有限度的,外径过于大时对于外来的压力会增加面法线的压力成分,如金属表面容易凹进去(象啤酒的罐般)。
        车架的寿命
        车架强度的探索
        车友们,希望你的自行车能用多久?除非有经济条件许可者追求新款式自行车之外,一般都希望能使用越久越好。在此主要记述影响车架强度的金属疲劳问题。
        在前面已讲过自行车的金属疲劳是不可避免的现象。具体地说:影响最大的是,加在管上的应力、管的材料、疲劳极限。
        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。
        


        8楼2012-05-14 13:41
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          咋成这个了、、、好乱 我截图一下吧 就是数据那些


          10楼2012-05-14 13:42
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            11楼2012-05-14 13:44
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              x


              12楼2012-05-14 13:47
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                平时一直潜水 第一次发帖 还发成这样,,先看看吧 我还没仔细看


                13楼2012-05-14 13:49
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                  贴个个人认为挺好的视频
                  


                  14楼2012-05-14 13:51
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                    技术贴 顶了~!


                    IP属地:河南15楼2012-05-14 14:08
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                      看得很累啊~


                      IP属地:江苏来自手机贴吧16楼2012-05-14 14:09
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                        这个赛道真的很陡么?为啥不用软尾嘞?


                        IP属地:河南17楼2012-05-14 14:12
                        回复
                          你先看字 那些数据发上来乱了 个人失误 我后面发了截图 补上了


                          18楼2012-05-14 14:12
                          回复
                            大部分是下山 应该震得不厉害


                            19楼2012-05-14 14:14
                            回复
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                              看到他们推我就觉得不怎么刺激了、、、


                              IP属地:河南20楼2012-05-14 14:16
                              回复