自行车材料基础篇碳钢.doc

1、自行车材料基础篇碳钢碳钢未故意添加任何合金元素的铁（Fe）-碳（C）合金为碳钢，碳在钢中有提高强度的作用，含碳量越高，强度越好，但含碳量高于 0.8%时，含碳量越高，钢越脆，因此在车架及前叉的材料为强度适中，塑性佳，易加工的中低碳钢，碳含量约 0.25%-0.35%。碳纤维（CERP)碳素纤维的学名叫“聚丙烯晴基碳纤维”由碳纤维与相关的基体树脂（如环氧树脂）备制的复合材料其多项物理力性能如：比强度、比弹性率等可以与金属媲美，但是比重却比金属轻得多。碳纤维车架的特徵是轻、不弯曲、冲击吸收性好 ，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行

2、车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点，可以制造 8、9kg 左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。通常每束含 3000 根碳素纤维的称为 3K 编织的碳纤维布，按照每平方厘米的编织密度计算可分为：5 束、6 束、7 束、8 束等，其单层厚度约在 0.250.29mm 之间，密度越大、

3、厚度越厚。每束含 1000 千根的称为 1K，其编织密度会大大超过 3K 碳纤维布，但是它的厚度却只有 0.150.2mm 左右。由于工艺复杂 1K 碳纤维布的价格几乎是 3K 碳纤维布的 3 倍，也许是性价比的缘故，多数制造商均采用 3K 碳纤维布制作。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

4、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

5、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。CrNiMo 铬钼钢铬钼钢（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。铁制车架的最大特徵是可在各种成份，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他的素材重(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。铬钼钢是铬、钼的合金。它的

6、性能如下：淬火性好。对回火处理的抵抗性大。回火脆性倾向少。高温加工性好，加工后美观。熔接性好。铬钼钢车架的优点(1).加工性好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。(2).冲击的吸收性能好骑感极好，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。(3).焊接容易铬钼钢比起钛、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。(4).价格便宜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。铬钼钢车架的缺点(1).容易生锈车架用的铬钼钢含有铬

7、，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)。(2).金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)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

8、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。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。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(1000C 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

9、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。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-

10、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。6000 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。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：-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、人工时效铝合金车架的优点(1).

11、可以制作重量轻的车架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。热处理技术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，若没有经过这个程式的车架，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。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。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。

12、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。(2)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。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)。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

13、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。根据公开的资料，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。铝合金车架的缺点1).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。(2).需要进行热处理必需进行热处理，否则强度不够。因此一般的规模不大的工

14、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。铝合金的分类:工业上对铝合金有一个以 4 位数规格编号来表示其材质，特性与主要用途如下列：1000 系列纯铝（Al 含量（质量分数）不小于 99.00%）:1050,1070高纯铝、电导性、热传导性、耐蚀性导电材料、热交换装置化工类装置配管。-2000 系列以铜为主要合金元素的铝合金:2011,2014,2017,2117,2024切削性优秀、高强度、耐蚀性不强杜拉铝总称、切削材、零件螺丝等结构材、飞机材、锻造用素材、汽机车油压零件、运动用品。-3000 系列以锰为主要合金元素的铝合金:3003,3203

15、耐热性比纯铝好、强度高、耐蚀性良好化学装置配管、热交换装置、复印机用感光筒。-4000 系列以硅为主要合金元素的铝合金:4032耐热、耐磨耗性良好VCR 磁头、活塞构件、锻造用。-5000 系列以镁为主要合金元素的铝合金:5052,5056中强度合金、耐蚀、熔接性良好化工业配管、机器零件、照相机镜筒。-6000 系列以镁、硅为主要合金元素，并以 Mg2Si 相为强化相的铝合金:6061耐蚀性优秀的中强度结构合金，可熔接、加工性好路上车辆、船舶、海上运输机材、道路用建材、运动用品等。6063耐蚀性、表面处理性良好、挤压性优秀佔挤压材的大半建材、建设材、装饰品材、家电製品材及其他一般泛用品。-70

16、00 系列以锌为主要合金元素的铝合金7005中强度熔接用结构合金、车辆、汽车、机车零件。7075称為超杜拉铝、為最高强度合金、耐蚀性、熔接性差高强度用材：飞机等机械零件、运动用品等。-8000 系列以其他合金元素为主要元素的铝合金8090,8091实用合金极少-9000 系列备用合金组9000 系列铝合金材质，是被美国国防工业保护，目前自行车工业只有Klein 及 Trek 有在使用，9000 系列铝合金材质特性是超轻、超高强度、熔接加工性优良，大多用在航太工业上。铝合金在自行车產业的运用在自行车工业上有用到的铝合金材料的零件实在是非常的多，举凡看得到的金属零件部分将近 95%皆可以使用铝合金

17、材料。像是轮圈、辐丝头、花鼓、曲柄、歯盘、飞轮、车手、煞车夹器、龙头、座管、座垫弓、前叉碗.等等。大部分的材料皆是 2000、5000、6000 及 7000 系列，车架及前叉部份则以7000 系列用的最多。另外在 2000 及 6000 系列的部分也用的很多，例如车手、煞车夹器、曲柄、龙头、座管.等等。铝合金材料的大量运用在自行车工业上也不过是近 20 年来的事，虽然铝合金材料已经在自行车工业上使用很久了，但是加工层次的进步及普及才是铝合金材料被大量运用大力的推手。以台湾為例：铝合金自行车车架是约 1986 年出现，当时热处理及焊接技术尚未成熟，大家对铝合金的特性也不是非常了解，但是经过 4

18、-5 年的摸索，大家已经能抓到生產的窍门并开始大量生產了，尤其是在管材及加工层次的运用。但是各位一定会问到：铝合金这样软的材料如何可以做自行车的车架及其他的零件呢?答案很简单，那就是将铝合金变硬就好了。也就是说加上热处理技术的过程，就可以将铝合金材料变硬了，这样一来就达到自行车车架及其他零件的安全标准了。钪合金 Sc-AlSc-Al 中间合金,铝镁基合金的最有效改进剂；生产导弹和制造航天器、汽车、船舶等的特种合金。钪对铝合金具有非常神奇的合金化作用，在铝中只要加入千分之几的钪就会生成 Al3Sc 新相，对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。加入 0.2%0.4%Sc 可使合金的再

19、结晶温度提高150200OC，且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。通过添加微量钪有希望在现有铝合金的基础上开发出一系列新一代铝合金材料，如超高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新型高温铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等，在航天、航空、舰船、核反应堆以及轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。据报道，在该方面研究最早、最深入的俄罗斯已经开发出了一系列性能优良的铝合金，并正在走向推广应用和工业化生产。1420 合金已广泛用作米格-29、米格-26 型飞机，图-204 客机及雅克-36 垂直起落飞机等的结构件。1421 合金还

20、以挤压异形材的形式用于安东诺夫运输机作机身的纵梁。此外，美、日、德和加拿大以及中国、韩国等也相继展开对钪合金的研究。近几年，美国已将钪铝合金用于制造焊丝和体育器械（例如棒球和垒球棒，曲棍球杆，自行车横梁等） ，钪铝合金制造的棒球棒和垒球棒已在多项世界大赛及夏季奥运会的比赛中得到使用。由于钪的熔点（1540）远比铝的熔点（660）高，钪的密度（3.0g/cm2）则与铝的密度（2.7g/cm3）相近，曾考虑用钪代替铝作火箭和宇航器中的某些结构材料。美国在研究宇宙飞船的结构材料时要求在 920下材料还应具有较高的强度和抗腐蚀稳定性，且比重要小，据认为钪钛合金和钪镁合金是具有熔点高，比重小和强度大等特

21、点的理想材料之一。钪也是铁的优良改化剂，少量钪可显著提高铸铁的强度和硬度。钪也可用作高温钨和铬合金的添加剂。镁合金镁是极易燃烧的金属，早期摄影用镁光灯，即燃烧镁粉所造成强光，镁合金的重量及强度约为铝合金的 2/3，虽然轻，但不易加工，且较脆，一般车架，极少使用。镁是工程应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为 1.8 克/厘米3 ，是钢的 1/4，铝的 2/3。由于镁合金质量轻、比强度和比刚度高、阻尼减震性好，还具有优良的切削加工性能，在航空、航天、汽车、轨道交通和电子工业中具有十分广阔的应用前景。虽然镁元素的发现时间同铝接近，相对于全世界年用铝量 2700 万吨的水平，镁的使用量还较小，因此发展镁产业还具有巨大的机会和潜力。在镁科学与技术研究方面，全世界包括西方发达国家对镁的研究和开发还十分有限，国内与发达国家的差距远远不如在铝和钢铁方面那么大，只要我们抓住机会，开展原创性的研究开发工作，完全有可能在镁产业发面实现跨越发展，形成创新设计制造的完整产业链。