材料的常用知識應(yīng)力以及變形

1、1材料的常用知識應(yīng)力以及變形（1）應(yīng)力的定義=6 二負(fù)荷/斷面積（即：單位面積上所能承受的重量）雖然負(fù)荷大， 但是可以增加厚度來降低斷面積上的應(yīng)力。 從這里也可知為什么鉻鉬鋼、 鋁、 鈦管的厚度不同。（ 2）受應(yīng)力之后，用于車架的材料會變形。其變形可分為彈性變形和塑性變形。 彈性變形：雖然變形，但是除去應(yīng)力后恢復(fù)原狀。塑性變形：變形后除去應(yīng)力也無法恢復(fù)原狀。（ 3）彈性率：彈性率所指的是像彈簧一樣變形的材料的低抗程度。彈性率高的材料硬， 承受負(fù)荷后變形也少；彈性率低的材料較軟， 承受負(fù)荷后變形較多。作為自行車的材料，有 些部位需要變形多些，有些部位需要變形少些。彈性率以楊氏彈性模量 （GNm2

2、） 來表示。數(shù)據(jù)越大彈性率越高。相關(guān)數(shù)據(jù)如下：鉻鉬鋼 （低合金鋼 ） 200-207鋁合金 69-79鈦 116鈦合金 80-130碳纖 70-200鎂合金 41-45結(jié)論： 從上表可知鉻鉬鋼的彈性率最高， 鎂合金的彈性率最低。 彈性率將決定材料剛性的 強(qiáng)弱，對自行車來說該數(shù)據(jù)是很重要的。第二部分屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度（MPa，N/mm2 ）屈服強(qiáng)度： 是彈性變形的極限也叫屈服點(diǎn)。 增加應(yīng)力到一定程度時(shí)成為塑性變形， 也就是 變彎了。拉伸強(qiáng)度：指的是增加應(yīng)力到一定程度時(shí)不單是成為塑性變形，還被拉斷。相關(guān)資料如下：用在自行車上的材料 拉伸強(qiáng)度SCM415 （ 鉻鉬鋼 ） 834 以上6061（600

3、0 系鋁合金 ） 無熱處理的場合 100 以上有熱處理的場合 （T6） 246 以上7005（7000 系鋁合金 ） 有熱處理的場合 （T6） 345 以上7075 （特超硬鋁，飛機(jī)合金 ） 無熱處理的場合 230 以上有熱處理的場合 （T6） 597 以上CPTi （純鈦） 有熱處理的場合 （T6） 597 以上用的較多的純鈦為如下：PTT800 800、Grade4 588753、UTT75 753 597 以上3-2.5Ti（3%Al2.5V Ti 合金） 685 以上6-4Ti （6%AI -4 V Ti 合金） 有熱處理的場合（時(shí)效）1160 無熱處理的場合 980密度密度是單位體積

4、的重量。 密度是決定車架的重量時(shí)重要因素之一。 設(shè)計(jì)輕的車架時(shí)不可勿 視的數(shù)據(jù)。但是密度小不等于車架輕。2用在自行車上的材料 密度（ g/cm3 ）鉻鉬鋼 （低合金鋼 ） 7.9鋁合金 2.6-2.9鈦 4.5鈦合金 4.3-5.1碳纖 （CFRP） 1.5-1.6鎂合金 1.7結(jié)論：從上表可知鉻鉬鋼密度最高，鎂合金最低。密度低的話，可以制作輕車架，假若這 樣認(rèn)為的話只講對了一半。還要考慮拉伸強(qiáng)度、彈性率等因素。雖然密度低，但是強(qiáng)度不夠 的話也不行，密度低 1/3 不等于重量也輕 1/3。增強(qiáng)材料重排：所指的是在金屬結(jié)晶中會產(chǎn)生的移動現(xiàn)象（原子間存在間隙，使結(jié)晶移來移去 ）。發(fā)生重排現(xiàn)象時(shí)金屬

5、會變形。強(qiáng)化材料也就是想辦法制造出不要發(fā)生重排現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)。在此介 紹 4 種強(qiáng)化材料的方法。固溶體強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、 通過硬化加工來增強(qiáng)、結(jié)晶體的微細(xì)化來 增強(qiáng)固溶體強(qiáng)化在鐵等母體材料中熔入鉻、 鉬等， 使母體材料變成不同半徑的結(jié)晶構(gòu)造。 此時(shí)的原子稱為 固溶體。在此舉個(gè)例來說明這種現(xiàn)象。比母體的原子半徑小的原子進(jìn)來時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。在電梯里已有 9 位大漢子已相當(dāng)擁齊，此時(shí)進(jìn)來了小孩， 為了防止小孩被擠壞，漢子們 開始靠向四周 。比母體的原子半徑大的原子進(jìn)來時(shí)：在電梯里已有 9 位大漢子已相當(dāng)擁齊， 其中有一個(gè)人下了電梯， 但是又進(jìn)來了肥胖的大 娘，此時(shí)漢子們又開始靠向四周 。如上述現(xiàn)象在結(jié)晶體四

6、周發(fā)生了應(yīng)力，使得重排現(xiàn)象變 小了。利用這個(gè)方法的是鉻鉬鋼。析出強(qiáng)化當(dāng)前， 自行車材料中的鋁合金制品普遍受到歡迎。 增強(qiáng)鋁的方法將在鋁項(xiàng)目中記述， 在此 只講強(qiáng)化的原理。固溶在金屬中的添加物，會產(chǎn)生飽和狀態(tài)（不完全溶解 ），添加的量超過飽和狀態(tài)時(shí)，因未能完全溶解而析出。具體地說， 提高溫度時(shí)飽和量也增加， 完全溶解的瞬間開始慢慢冷卻時(shí)， 能析出大的結(jié)晶。 用食鹽來做實(shí)驗(yàn)會看到這個(gè)現(xiàn)象， 食鹽的場合， 急速冷卻時(shí)析出細(xì)小的鹽結(jié)晶， 但是金屬一 般不會析出，若冷卻速度快時(shí)，不會析出而強(qiáng)迫使它固溶。對處于此狀態(tài)下的金屬， 逐漸提高它的溫度時(shí)慢慢析出。 在此需要注意的是過于析出不可， 析出不夠也不行，

7、 溫度過高、 過低也不可以， 該溫度叫作熱處理溫度 （也稱作人工時(shí)效處理 ）。 最理想的是析出的結(jié)晶細(xì)而均一，從而阻止重排，材料不容易變形。舉個(gè)例子： 走在森林 里，若大樹較多時(shí)容易走路 （大的析出物 ），密密麻麻小樹多的話不3容易走 （細(xì)小的析出物 ）， 和這個(gè)道理一樣細(xì)小的析出物較難重排。硬度加工來增強(qiáng)的方法對材料進(jìn)行加工就產(chǎn)生重排現(xiàn)象， 也就產(chǎn)生材料的變形。 各種材料的重排現(xiàn)象是極為復(fù)雜， 不在此記述，簡單地說：重排后不是整齊地排隊(duì)， 而復(fù)雜地嚙在一起的話， 材料的變形就困 難了。如馬路上走路時(shí)，走路的人不斷增加（重排的增殖 ），就難于前進(jìn) （重排移動變得困難，從而不容易變形 ）。利用此

8、方法的有管道拉拔和噴丸硬化（SHOT PEENING） 。結(jié)晶體的微細(xì)化來增強(qiáng)結(jié)晶在高溫下完全溶解后，急冷時(shí)得到微細(xì)的組織。這個(gè)過程叫作淬火。結(jié)晶變微細(xì)后，重排移動的連續(xù)性就難于保持，結(jié)果材料得到了增強(qiáng)。（比方：人能活動的范圍變小了 ）。鉻鉬鋼（ Fe-Cr-Mo ）在自行車的 100 年歷史當(dāng)中， 鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。 鐵制車架的最 大特征是可在各種成份，各種粗細(xì)厚薄的鐵管中， 任意選擇所需要的鐵管進(jìn)行加快。 因此可 以選擇最適合于的尺寸、 剛性、 騎感的車架， 這對于數(shù)毫米的差異也敏感的老車手來說是很 有好處的。 它的最大的缺點(diǎn)是比起其它的素材重 （過去 ）。但是最近的

9、鐵素材車架經(jīng)過熱處理， 把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。鉻鉬鋼是鉻、鉬的合金。它的性能如下：1淬火性好。2對回火處理的抵抗性大。3回火脆性傾向少。4高溫加工性好，加工后美觀。5熔接性好。鉻鉬鋼車架的優(yōu)點(diǎn)加工性好鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架， 因此對它的研究時(shí)間也最長。 現(xiàn)在能做到車架所需強(qiáng)度 的極薄的管道。沖擊的吸收性能好騎感極好，如（像彈簧般的騎感） 。構(gòu)成車架的鉻鉬鋼管道有優(yōu)異的吸收沖擊的性能。焊接容易 鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易?？梢栽O(shè)計(jì)成名種形狀。另外，焊接后也不需要熱處理，因此 不需要大型的熱處理設(shè)備，成本低。價(jià)格便宜雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價(jià)格貴， 但一般價(jià)格便

10、宜。 也可以說， 用便宜的價(jià)格買到高 擋次的車架。鉻鉬鋼車架的缺點(diǎn)容易生銹車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是添加量少（不銹鋼含有 12%的鉻 ）的鐵系合金。若沒有施有表4面處理的話，有傷口時(shí)容易生銹。但是一般都有進(jìn)行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓 薄，生銹后的影響將會非常大。生銹T 內(nèi)壓減少 T 強(qiáng)度下降（應(yīng)力集中）。金屬的疲勞顯著 （應(yīng)力集中引起的金屬疲勞 ）若使用內(nèi)薄的鉻鉬鋼車架時(shí)需要注意！ 當(dāng)然金屬疲勞這個(gè)現(xiàn)象任何金屬都會產(chǎn)生包括鋁等 在內(nèi)。 金屬疲勞現(xiàn)象簡單地說：金屬雖然具有防止塑性變形的小小的力量， 但是反復(fù)施加應(yīng) 力時(shí)，金屬可能被破壞 （被稱為微細(xì)的應(yīng)力集中 ）。飛機(jī)出事時(shí)，有時(shí)候也是

11、某部分的金屬疲 勞引起。對自行車來說，由于金屬疲勞的原故，可能出現(xiàn)強(qiáng)度不能保持。例如，進(jìn)行DH 時(shí)產(chǎn)生的沖擊縮短了自行車的壽命。 若感覺到踩踏時(shí)不那么順利前進(jìn)時(shí)很有可能是金屬已發(fā)生 疲勞。焊接部位，如從管道側(cè) （母體 ）到溶融的部位 （溶接部 ），結(jié)晶的特性都會顯著變化。為使這 些組織均一化， 本來應(yīng)該再次結(jié)晶化 （詳細(xì)內(nèi)容后述 ）。但是車架加工廠不一定有這種大型爐， 另一方面，這種加工使已經(jīng)冷卻過的再次硬化，使得變增強(qiáng)的管道的強(qiáng)度降低。由于存在上述原因， 焊接時(shí)采用各種方法來加工。 如利用低溫焊接等方法制造車架。 不管 是任何優(yōu)秀的焊接， ，焊接部位 （1000C 以上 ）和另管道側(cè) （室溫

12、 ）之間的溫度差，冷卻時(shí)收縮 而發(fā)生殘留應(yīng)力。 該部位受到應(yīng)力集中時(shí)，可能會產(chǎn)生裂縫。 結(jié)果自行車騎的時(shí)間長時(shí)可能 會引起金屬疲勞，微觀的硬化加工也使沖擊的吸收性也變得差。鋁合金（ Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-（Cu） ）鋁材料概述很久以前就有用鋁合金制作的車架。輕而價(jià)格低是它的優(yōu)點(diǎn)。但是從“輕”來說， 當(dāng)前與鐵素材比較相差并不大。老車手對它的反應(yīng)是 “雖輕但易彎曲 ”。雖然經(jīng)過多次改進(jìn)，但是始終 克服不了楊氏彈性模量低的缺點(diǎn)。 最近的鋁合金車架， 為了提高楊氏彈性模量， 加大管道外 徑，使用扁平管，或者對鋁管進(jìn)行熱處理等， 制造出輕而有剛性的車架，這種最新的鋁合金 車架對車手來說，具

13、有足夠的輕量與剛性。鋁合金是純鋁中加入 Mg ， Zn，Si，Cu 等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐 蝕等優(yōu)點(diǎn)，加入其他金屬后顯著提高了機(jī)械性能。自行車所使用的鋁合金多數(shù)為 6000 系(Al-Mg-Si )和 7000 系(Al-Zn-Mg-Cu)兩種，經(jīng)過熱處理(鋁耐高溫，在高溫下能改變性質(zhì)) 可以制成名種各樣的材料。6000 系被認(rèn)為是耐腐蝕、強(qiáng)度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061 合金的機(jī)械強(qiáng)度。7000 系是鋁合金中最強(qiáng)的材料。尤其是 7075 是特超硬鋁 (制造飛機(jī)的材料 )，但是它的焊 接難度大，耐腐蝕性差 (會發(fā)白 )等。下表表示使用最多的 7005

14、和 7075 合金的機(jī)械特性。表 中的有關(guān)熱處理以如下數(shù)字來表示：-0：完全退火-T5 ：人工時(shí)效(無溶體化處理)-T6 ：溶體化處理后人工時(shí)效-T7 :溶體化處理后穩(wěn)定化處理-T8 ：溶體化、硬化加工、人工時(shí)效6061 合金的機(jī)械特性熱處理 T5 T6 T83伸長強(qiáng)度 (MPa) 190 246 2605耐力 (MPa) 148 218 246伸長()12 12 11剪斷強(qiáng)度 (MPa) 119 155 155布氏硬度 60 73 82疲勞強(qiáng)度 (MPa)67 677005， 7075 合金的機(jī)械特性合金名稱 7005 (7003) 7075 T6熱處理 T53 0 0 T651伸長強(qiáng)度 (

15、MPa) 345 230 597耐力(MPa)305 107 526疲勞強(qiáng)度 (MPa)130 163 163伸長()17 11E(GPa)74 74 74車架大小標(biāo)準(zhǔn)參加自行車運(yùn)動，最重要的器材莫過于您的坐騎 自行車了。車架作為整個(gè)車子的骨架， 最大程度地決定、 影響了你騎行姿勢的正確性和舒適性， 所以 選擇一個(gè)合適的車架是至關(guān)重要的。度量身體個(gè)部位長度和計(jì)算車架尺寸的公式，供大家參考使用。1. 測量大腿長度測量時(shí)最好穿騎行服， 站于水平硬性地面， 并由一人輔助。 身體直立， 兩腳間隔約十公分。 用書本或其他類似的東西平置于襠部， 并向上施加小于坐車座的適當(dāng)力度， 測量書本頂部至 地面的距離：2. 測量身長姿勢與步驟 1 相同，測量鎖骨之間 V 字槽底部至?xí)旧隙说木嚯x：3. 測量臂長 水平站立，平伸手臂、掌心向前，測量從虎口到肋骨所在平面的距離 .4. 測量肩寬 直立，放松兩臂，測量肩關(guān)節(jié)處的寬度 s以上尺寸每個(gè)測量三次，取平均值 根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到你所需要的車架尺寸：公路車架尺寸=i*0.67 ( cm)山地車架尺寸=(i*0.67-11.0)*0.394 (英寸)把立長度=(t+a)/2+x-et公路車 x= 4;山地 x = 8; et = effective