自行車車架材料說明書

自行車車架材料說明書車架材料最早是使用鉻鉬鋼，然后進(jìn)化到使用鋁合金，再然后是復(fù)合材料的使用如碳纖維。廠商不斷的在研發(fā)新材料配方，提升管件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，并創(chuàng)新加工技術(shù)。為的就是讓車架更輕、更強(qiáng)、更舒適和更美觀。目前，制造自行車車架的材料主要有以下幾種：鋼，鋁合金，鈦合金，鎂合金，鈧合金，碳纖維等等，一般市場上出現(xiàn)的車架主要有鋼，鋁合金，鈦合金，碳纖維。一、 技術(shù)指標(biāo)要了解這些材料的特性，就有必要知道一些基本的概念和參數(shù)。1.強(qiáng)度(STRENGTH)假設(shè)掛在金屬棒另一端的重量，重到足以使金屬棒產(chǎn)生永久的變形，也就是說，當(dāng)移開重物時(shí)，金屬棒仍然呈現(xiàn)彎曲，無法完全回復(fù)原狀，即所謂的降伏(yield)。使材料達(dá)到降伏的力量因材料不同而不同，這就是所謂的強(qiáng)度。強(qiáng)度和車架的耐用度相關(guān)但和騎乘品質(zhì)無關(guān)。強(qiáng)度(strength)由材料的降伏強(qiáng)度(yieldstrength)決定。降伏強(qiáng)度和車架管材的品質(zhì)、熱處理制程及合金成份（某些品牌型式）有相當(dāng)大的關(guān)系。2．剛性（STIFFNESS）假設(shè)一根金屬棒的一端固定在夾具上，另一端加上一定的重量使得這根金屬棒暫時(shí)彎曲，當(dāng)把那個(gè)重物移開時(shí)，金屬棒立即回復(fù)原來的型狀。同樣的重量加諸于不同材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的彎曲程度，這就是剛性。剛性影響車架的騎乘品質(zhì)，因?yàn)檐嚰茏钆略谡ｒT乘時(shí)發(fā)生變型。剛性決定于材料的彈性系數(shù)，而相當(dāng)重要的是彈性系數(shù)和金屬的品質(zhì)及其合金的成份無關(guān)。舉例來說，所有種類的鋼，基本上具有相同的彈性系數(shù)。3．重量（WEIGHT）除了強(qiáng)度和剛性之外，重量也是一個(gè)議題。和剛性一樣，重量受到材料合金成份的影響相當(dāng)輕微。即便你的車架貼著"LiteSteelTM"（輕量化鋼材），事實(shí)上，所有的鋼材幾乎具有相等的重量。以下就是我們常見的幾種材料的一些特性彈性系數(shù)（剛性）強(qiáng)度（降服點(diǎn)）重量（千克/立方米）鋼3046-1627800-8200鋁10-1111-59（4-22退火后）2700-3200鈦15-16.540-1204500-4700要注意，剛性和重量及材料的品質(zhì)、熱處理或合金成份無關(guān)。由上表中我們可以看出，我們用這幾種材料做車架，在管材的形狀和厚度相同的情況下，鋁制車架的剛性只有鋼制車架的三分之一，鈦制車架也只有鋼制車架的二分之一的鋼性。也就是說，鋼的車架是最結(jié)實(shí)的。二、 鋼鋼是一種歷史悠久的材料，從最普通的民用自行車到高端的競賽級(jí)車輛，都或多或少的使用著鋼材。除了冶煉技術(shù)的完善之外，鋼也有其它材料所不能代替的優(yōu)點(diǎn)：1．加工性能好鉻鉬鋼是歷史最悠久的自行車素材，對(duì)它的研究時(shí)間也最長，因此它的加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的程度。2．強(qiáng)度大從上文中我們可以看出相同體積下的鋼材的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金和鈦合金，因此合格的鋼架的強(qiáng)度都可以讓人放心。3．乘騎感舒適鋼是一種具有良好的彈性的金屬，用鋼制作的車架，可以吸收騎行過程中所帶來的震動(dòng)。因此鋼架不會(huì)向鋁架那樣讓人感覺不舒服，特別適合用來做旅行車架。4．鋼的金屬疲勞性要比鋁強(qiáng)得多所以在相同的使用條件下，鋼架的壽命也會(huì)比鋁架長得多。當(dāng)然，鋼架也有其不可克服的缺點(diǎn)：1．重量在極度追求器材輕量化的今天，鋼7.85g/立方厘米的質(zhì)量讓所有人對(duì)他望而卻步。雖然可以使用輕量化的鋼材，并且用抽管技術(shù)把管壁抽得極薄，可是還是很難把鋼架的重量減到1600克以下。而很多鋁架的重量只有1400克左右。這也就是在競賽級(jí)別的車架中很少看見鋼架的緣故。2．生銹相對(duì)于其他的材料，鋼是比較容易生銹的。生銹會(huì)使鋼的強(qiáng)度大幅度的下降，減少使用壽命。所以必須采取種種手段來防止鋼材生銹。所以如果不是追求競賽級(jí)的重量，又考慮車架的耐用程度的話，鋼架無疑是很好的選擇。隨著材料工藝的進(jìn)步，高質(zhì)量的鋼材其實(shí)能夠克服重量和生銹的缺點(diǎn)。比如2009年量產(chǎn)的雷諾953，是一種超強(qiáng)的不銹鋼材質(zhì)，它按國防工業(yè)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，能承受強(qiáng)大的沖擊力（張力強(qiáng)度2000MPA），耐腐蝕，且不易疲勞。此鋼材即使抽出0.3mm的超薄車管也不會(huì)斷裂，以至于可以生產(chǎn)輕質(zhì)量的車架。常用于制作車架的鋼材物理特性如下：（需補(bǔ)充）材料名稱彈性系數(shù)（剛性）強(qiáng)度（降服點(diǎn)）SCM4154130雷諾853雷諾953三、 鋁鋁作為一種在運(yùn)動(dòng)自行車上使用最廣泛的材料，最大的優(yōu)點(diǎn)就是他的重量。鋁的剛性和強(qiáng)度都很低，但是鋁可以通過增加單位體積上的材料來彌補(bǔ)這一缺憾，而重量仍然不大。另外相對(duì)于其他的運(yùn)動(dòng)自行車的高級(jí)材料，鋁的價(jià)格很低。目前使用在高檔鋁架上的鋁材（6000系列、7000系列）都是運(yùn)用在航天方面的高級(jí)鋁材。和一般的普通鋁材相比，這些鋁材無論是在強(qiáng)度還是剛性上都有顯著的提高。而且廠家為了保證強(qiáng)度，都采取了使用較粗的管材、增大橫截面積的做法，所以大多數(shù)的鋁車架看起來都很粗獷。鋁長時(shí)間使用外觀不怎么變化。鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什么不生銹呢？原因是該氧化膜達(dá)到一定的程度時(shí)防止繼續(xù)生銹，形成致密的氧化膜（三氧化二鋁）。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發(fā)現(xiàn)變化（有時(shí)會(huì)發(fā)白）。以上都是鋁的優(yōu)點(diǎn)，但是這種材料也有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)。鋁的金屬疲勞性很差鋁材做的自行車架的致命弱點(diǎn)就是騎這種材料制造的自行車時(shí)，騎的次數(shù)越多，應(yīng)力發(fā)生的次數(shù)也高，強(qiáng)度也顯著引起變化。近來為了謀求輕量，許多車架使用薄料來制作（薄的程度已達(dá)到極限）。這些都是使用沒有疲勞極限的鋁合金來制作車架，這也就是為什么在專業(yè)的使用強(qiáng)度下一個(gè)鋁架只能支持2-3年的原因。鋁沒有彈性，無法吸收騎行的震動(dòng)用鋁材制作的硬尾車架會(huì)把絕大多數(shù)的震動(dòng)直接傳遞到騎手的身體上。這就使鋁車架坐起來相當(dāng)?shù)念嶔?，乘騎的舒適感很差。1.鋁合金鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但鋁不夠硬，為了增強(qiáng)強(qiáng)度把它制成合金并施予熱處理。鋁合金是純鋁中加入Mg，Zn，Si，Cu等金屬的合金。熱處理采用“時(shí)效析出增強(qiáng)法，”即在某種高溫下引起時(shí)效析出，使金屬內(nèi)形成一種妨礙金屬變形的物質(zhì)。若沒有熱處理的話強(qiáng)度只能達(dá)到1/2，或者1/5的程度。自行車所使用的鋁合金多數(shù)為6000系（Al-Mg-Si鋁-鎂-硅）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu鋁-鎂-硅-銅）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；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(huì)發(fā)白）等。許多鋁合金制車架用6061T6材料來制造。T6標(biāo)志表示經(jīng)過熱處理、時(shí)效。有7075標(biāo)志的自行車零件（如XTR曲柄等），嚴(yán)格來講沒有經(jīng)過熱處理。也就是說因沒有時(shí)效，因此是常溫時(shí)效。7075合金本來就必要進(jìn)行熱處理，通過熱處理其強(qiáng)度可以增加5倍。另外，7005合金也常用來制造車架，它的強(qiáng)度比不上7075，但是它在常溫下也能夠進(jìn)行足夠的時(shí)效的材料。這種材料也可用Padded加工制成薄料，但是材料本身的強(qiáng)度及楊氏彈性模量低，因此加粗管道直徑來提高剛性。通常被稱作鋁制粗管道的是這種類型。為了彌補(bǔ)鋁合金沒有彈性的缺陷，鋁制自行車如果配有完全獨(dú)立的減震結(jié)構(gòu)用于吸收震動(dòng)，加上更為厚實(shí)和柔軟的把和坐墊，利用鋁較輕的質(zhì)量作成更大的截管面積，并在需要強(qiáng)度的地方進(jìn)行局部的補(bǔ)強(qiáng)，可以獲得較好的騎乘體驗(yàn)。所以說，鋁是比較成熟的材料，并且在制作全減震車架的時(shí)候更有優(yōu)勢。常用于制作車架的鋁材物理特性如下：（需補(bǔ)充）材料名稱拉伸強(qiáng)度（MPa，N/mm2）6061（6000系鋁合金）無熱處理有熱處理（T6熱處理工藝的含義：熱處理工藝的含義：-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100246以上7005（7000系鋁合金）有熱處理（T6）345以上7075（特超硬鋁，飛機(jī)合金）無熱處理230以上有熱處理（T6）597以上2.鈧合金鈧合金事實(shí)上應(yīng)稱為鋁鈧合金，是在鋁合金中加入千分之一的鈧而成。鈧合金的顆粒非常細(xì)，比7005鋁合金小100倍，所以加工容易且不容易產(chǎn)生龜裂。另外，鈧合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)480mpa，比7005鋁合金（340mpa）強(qiáng)50%,且可焊接。用7005鋁合金加鈧應(yīng)用于車架的主體結(jié)構(gòu)，可大幅提升管材的強(qiáng)度和剛性，且能改善焊接熱裂的問題。鈧合金的物理特性如下：（需補(bǔ)充）3.FujiA6這是FUJI獨(dú)家技術(shù)，是在6061鋁合金中添加了鎂、硅、銅以及另一種特有元素所組成的新材料配方。據(jù)FUJI宣稱其強(qiáng)度和韌性增加了35％，并使用特殊方式加工成型和焊接。比7005鋁合金更輕、更耐用，管材特殊的分子排列結(jié)構(gòu)能濾掉從車輪傳導(dǎo)來的震動(dòng)。FujiA6的物理特性如下：（需補(bǔ)充）四、 鈦鈦是一種新興的金屬，這種新材料具有非常優(yōu)越的性能，是制作頂級(jí)車架的最好的材料之一。鈦合金可以制作重量很輕強(qiáng)度又很大的車架，鈦的強(qiáng)度和鋼差不多，但是重量也只有鋼的一半多一點(diǎn)，因此同樣強(qiáng)度的鈦合金車架會(huì)比鋼車架輕很多。鈦合金具有非常好的彈性，這使得它在吸收騎行振動(dòng)方面功不可沒。用鈦合金制作的車架具有非常良好的舒適性，而且鈦是一種具有記憶性的金屬，它在自己的形變范圍內(nèi)幾乎具有無限的使用壽命，也就是說購買鈦合金車架是一種一勞永逸的方法。一般來說，在專業(yè)的使用條件下，鋁合金車架的使用壽命是2年，鋼車架是8年，而鈦車架則可以達(dá)到20年左右。在正常的條件下，鈦幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。有其利就回有其弊，鈦合金也有其不可避免的缺點(diǎn)，目前來說最頭痛的就是一個(gè)字：貴！按照金屬的含量來說，鈦其實(shí)并不是稀有金屬?？墒亲匀粻顟B(tài)的鈦元素一般以二氧化鈦的形式存在著，提煉加工過程復(fù)雜，技術(shù)要求高，并花時(shí)間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因?yàn)殁伜脱醯挠H和力極強(qiáng)，和空氣接觸后馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強(qiáng)度會(huì)不斷下降。必須用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是：（Tig:鎢、惰性氣體的略語）用鎢電極及氬氣體進(jìn)行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進(jìn)行。由于以上原因鈦車架價(jià)格很貴。一般國產(chǎn)的航輪和寶鈦的3/2.5的鈦合金車架的價(jià)格大概在3000元左右，而如果象AIRBONE或者LITESPEED的鈦架的價(jià)格甚至上萬。但是如果考慮到鈦架的使用壽命，這個(gè)價(jià)格也就不會(huì)感到那么離譜了。常用于制作車架的鈦合金物理特性如下：（需補(bǔ)充）材料名稱拉伸強(qiáng)度（MPa，N/mm2）CPTi （純鈦）有熱處理（T6）597以上PTT800800Grade4588~753UTT757533-2.5Ti（3%Al-2.5VTi合金）685以上6-4Ti （6%A1-4VTi合金）有熱處理（時(shí)效）1160無熱處理980五、 碳纖維碳纖維作為一種高科技材料使用在自行車上是最近十年的事情。嚴(yán)格來說碳纖維并不是單純的碳元素，而是碳元素經(jīng)過編織加工后利用環(huán)氧樹脂粘和加固的一種混合物。早期的碳纖維由于技術(shù)上面的原因，使用的環(huán)氧樹脂甚至?xí)陉柟庀路纸?。隨著科技的進(jìn)步，這種優(yōu)秀材料的種種缺點(diǎn)在被逐漸克服。比如德國的K車架就使用了高級(jí)的16K的碳纖維，這種碳纖維的強(qiáng)度甚至超過了鋼材，并且擁有終身保用的質(zhì)量承諾。一般來講，碳纖維作為自行車的材料擁有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.極輕的重量1200克左右的碳纖維公路架已經(jīng)到處可見了。由于碳的質(zhì)量僅有1。6克/立方厘米，所以制作1公斤左右的車架已經(jīng)不在是夢想。2.吸收沖擊性能好碳纖維可以有效的吸收震動(dòng)，并且保持很好的剛性。這種特點(diǎn)使得它成為很好的競賽級(jí)的材料?？梢灾谱鞲鞣N形狀的車架和一般的金屬車架的制造過程不一樣，碳纖維車架一般是先制作模具，然后在模具上付上碳纖片，最后用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘固。這種制作過程可以利用空氣動(dòng)力學(xué)作成風(fēng)阻極小的車架。目前這種材料的毛病主要是以下兩點(diǎn)：1.復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算構(gòu)成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度強(qiáng)，但剪斷強(qiáng)度弱，加工時(shí)需要進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力計(jì)算（縱剛性、橫剛性），根據(jù)計(jì)算把碳纖維片重疊成型。一般來講，碳纖維抗面的沖擊相當(dāng)好，而抗穿刺能力就很差了。就是說你橫摔豎拍不要緊，就怕的是橫摔豎拍的過程中碰到一兩塊鋒利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可以解決的了。2.價(jià)格昂貴和鈦合金相比，碳纖維車架的價(jià)格有過之而無不及，向頂級(jí)的碳纖維車架的價(jià)格都要上萬，而科那哥的C40和C50的價(jià)格甚至超過2萬元。這主要是因?yàn)樘祭w維車架的制作過程需要很多的手工，并且報(bào)廢率很高，造成成本的大量上升。六、 鎂合金鎂合金的密度為1.7，是鋁合金的2/3，鋼的1/5，其輕量化優(yōu)勢明顯。此外，鎂合金也具有強(qiáng)度/重量比佳、耐沖擊、耐磨、可回收以及吸震性佳的特征。然而鎂合金屬于非?；钚缘母呶ｋU(xiǎn)性金屬，易腐蝕且易氧化，在制造過程中若未有效控制、未先預(yù)熱，容易發(fā)生燃燒爆炸。除了重量和強(qiáng)度之外，鎂合金優(yōu)越的吸震性才是它最吸引人的地方，在5000psi下，鎂的吸震效果是鋁的25倍。Pinarello采用鎂合金AK61和鏡面處理技術(shù)制造的DogmaFP非常讓人眩目。常用于制作車架的鎂合金物理特性如下：（需補(bǔ)充）七、