認(rèn)識自行車材料
自行車的材料有已往使用的鉻鉬鋼以外、還有鋁、鈦、碳纖、鎂等不斷出現(xiàn)新材料。出現(xiàn)了不少用這些新材料制成的車架。關(guān)于金屬合金材料的書很多,但是不是專門介紹自行車的材料,在此簡單介紹自行車的材料,供車友們參考。
(此內(nèi)容是一位海外的自行車運(yùn)動(dòng)愛好者于2000年所寫的內(nèi)容的摘要)。
材料的常用知識
首先了解一下金屬材料的常用語。
應(yīng)力以及變形
(1).應(yīng)力的定義=σ=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(huì)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來表示。數(shù)據(jù)越大彈性率越高。下表為自行車的各種材料的楊氏彈性模量。
楊氏彈性模量
用在自行車上的材料
楊氏彈性模量(GNm^-2)
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
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。
屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度
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。
自行車材料的拉伸強(qiáng)度
用在自行車上的材料
拉伸強(qiáng)度((MPa,N/mm^2)
SCM415 (鉻鉬鋼)
834以上
6061 (6000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 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。
用在自行車上的材料
密度(g/cm^3)
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
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。還要老慮拉伸強(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(huì)產(chǎn)生的移動(dòng)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)金屬會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)析出,若冷卻速度快時(shí),不會(huì)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,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(dòng)變得困難,從而不容易變形)。利用此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(dòng)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(dòng)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(huì)輸給輕的合金。
鉻鉬鋼是鉻、鉬的合金。它的性能如下:
○淬火性好。
○對回火處理的抵抗性大。
○回火脆性傾向少。
○高溫加工性好,加工后美觀。
○熔接性好。
(右圖)BRIDGESTONE ANCHOR的鉻鉬鋼車架,該公司的宣傳用語是"與鋁合金制一樣輕",價(jià)格約(左)6,700多元,(右)5,000多元。
●鉻鉬鋼車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).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?,F(xiàn)在能做到車架所需強(qiáng)度的極薄的管道。
(2).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。
(3).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。
(4).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)
(1).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(huì)非常大。生銹→肉壓減少→強(qiáng)度下降(應(yīng)力集中)。
(2).金屬的疲勞顯著(應(yīng)力集中引起的金屬疲勞)
若使用肉薄的鉻鉬鋼車架時(shí)需要注意!當(dāng)然金屬疲勞這個(gè)現(xiàn)象任何金屬都會(huì)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(huì)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(1000°C以上)和另管道側(cè)(室溫)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(huì)產(chǎn)生裂縫。結(jié)果自行車騎的時(shí)間長時(shí)可能會(huì)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))
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(huì)發(fā)白)等。下表表示使用最多的7005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
(右圖)i-DRIVE車隊(duì)用在XC比賽時(shí)的鋁制輕量型車架,價(jià)格約2萬元。
6061合金的機(jī)械特性
熱處理
伸長強(qiáng)度 (MPa)
耐力
(MPa)
伸長
(%)
剪斷強(qiáng)度(MPa)
布氏硬度
疲勞強(qiáng)度(MPa)
T5
190
148
12
119
60
67
T6
246
218
12
155
73
67
T83
260
246
11
155
82
-
7005,7075合金的機(jī)械特性
合金名稱
熱處理
伸長強(qiáng)度(MPa)
耐力
(MPa)
疲勞強(qiáng)度(MPa)
伸長
(%)
E
(GPa)
7005
T53
345
305
130
(7003)
10
74
(7003)
7075
0
230
107
163
17
74
T6,T651
597
526
163
11
74
●鋁合金車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).可以制作重量輕的車架
鋁的比重輕但不夠硬,為了增強(qiáng)強(qiáng)度把它制成合金并施予熱處理。熱處理采用時(shí)效析出增強(qiáng)法,簡單地說,在金屬內(nèi)形成一種妨礙金屬變形的物質(zhì)。在某種高溫下進(jìn)行熱處理時(shí),會(huì)引起時(shí)效析出,若沒有經(jīng)過這個(gè)程序的車架,也會(huì)引起常溫時(shí)效。就是說把車架放置在房間內(nèi)也會(huì)逐漸變強(qiáng)。
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。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。
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。
(2)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。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)。
另一方面,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,到底長時(shí)間使用后強(qiáng)度變化將是如何呢!Dedacciai公司制作的SC61-10A等是表面施有噴丸硬化加工(KET處理)的管道,這種加工的目的是延長疲勞的壽命。根據(jù)公開的數(shù)據(jù),能提高140%。,KET處理是:疲勞破壞是在金屬表面上所發(fā)生的裂縫為起因,因此用硬化加工技術(shù)來提高金屬表面的硬度。
●鋁合金車架的缺點(diǎn)
1).鋁是彈性率及剛性低的材料。因此采用粗的管道,或者改變形狀如cross-over管、padded管等。
(2).需要進(jìn)行熱處理
必需進(jìn)行熱處理,否則強(qiáng)度不夠。因此一般的規(guī)模不大的工廠無能力購買熱處理設(shè)備。尤其是6000系的鋁合金管,多數(shù)情況是管道廠家指定熱處理?xiàng)l件。
鈦、鈦合金(Ti,Ti-Al-V)[tr]
[td=1,1,671]美國在60年代首次使用鈦合金來制作自行車車架。鈦合金給人的印象是「輕而硬」。早期的鈦合金車架,作為比賽用車,剛性不足,其車架不適合于長距離賽車,也不是適用于所有的比賽,只適合用在山岳,或者Big reces, Time traial等需要輕型車的特定的場合。開始時(shí)鈦合金使一些人著迷,曾經(jīng)有些熱中于輕量化的騎手,把所有的螺絲都換成鈦合金制的才滿意。鈦金屬給一些人錯(cuò)覺,貴而稀有,實(shí)際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由于合金的制作成本高,價(jià)格才較貴。
金屬鈦比重輕、強(qiáng)度大,同時(shí)耐腐蝕性高的材料,一般用在特殊的環(huán)境里。在金屬鈦里添加鋁、釩(Li.V)時(shí)強(qiáng)度顯著提高,熱處理也和鋁合金一樣通過時(shí)效處理可以提高強(qiáng)度。
鈦合金的機(jī)械性能
合金名稱
區(qū)分
拉伸強(qiáng)度(MPa)
耐力(MPa)
伸長(%)
E(GPa)
純鈦
JIS 3種
480~620
345
18
105
Grade 4
550
480
15
PTT800
800
―
―
UTT75
750
―
―
3-2.5Ti
退火
685
590
20
―
6-4Ti
退火
980
920
14
110
時(shí)效處理
1160
1100
10
●鈦合金車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).可以制作輕量而強(qiáng)度大的車架
純鈦金屬的強(qiáng)度更高。在鈦金屬中添加鋁和釩,彈性更高(和鋁比較),也有利于設(shè)計(jì)。
(2).不生銹:鈦在一般的環(huán)境下幾乎不會(huì)被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現(xiàn)象即異種金屬腐蝕。例如,不同種類的合金接合在一起時(shí),成為電極狀態(tài),電位差使局部通電引起腐蝕。對此現(xiàn)象采取的措施是用脂膏等來絕緣(混有金屬粉末的脂膏,如商品名:Ti Plepu等)。這種金屬粉末防止脂膏流失,即使流失后也用來防止緊密接觸。這種金屬粉末有導(dǎo)電性也不要緊,接觸后被較小的荷重破壞掉。這種現(xiàn)象稱為「粘住」,它和「烘焙」是不同的。
「粘住、咬合」:金屬之間通過腐蝕來接合的現(xiàn)象。
「烘焙接合」:加工金屬時(shí)所產(chǎn)生的熱量來溶融接合。
(3).騎感好
鈦也用在避震器的彈簧上?,F(xiàn)在用鈦制成的車架適合于長時(shí)間的騎行。有些車手酷愛鈦制車架,認(rèn)為騎感極佳。但是個(gè)人各異,有人和鉻鉬鋼比較后認(rèn)為,鉻鉬鋼的車架沖擊吸收性比鈦車架好,騎感也比鈦車架好(這和鉻鉬鋼車架的形狀以及用薄的管的結(jié)果應(yīng)力得到增大也有關(guān))。假若鈦管的加工技術(shù)得到進(jìn)一步改進(jìn),也許會(huì)有和鉻鉬鋼同樣的騎感。
有些鈦制車架使人感到搖擺,這也許是使用plane管(沒有加padded的,厚薄不能變化的管)有關(guān)?;蛘唠m使用高強(qiáng)度的鈦合金,但沒有用薄的管等也有關(guān)系。
●鈦合金車架的缺點(diǎn)
價(jià)格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態(tài)存在,提練及加工過程復(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。因此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。
近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價(jià)格貴,這說明鈦合金車架的價(jià)格下降了。其因是冷戰(zhàn)結(jié)束后軍費(fèi)縮小,鈦的用量少了;優(yōu)秀的技術(shù)員開始用鈦來制作車架;制作鈦車架的成本降低等原因。
碳纖維 (CERP)
碳纖維車架的特征是「輕、不彎曲、沖擊吸收性好」,但是,充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能,在技術(shù)上看起來不是那么容易,各碳纖維材料廠家之間的品質(zhì)差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題,不大可能使用高等級的碳纖維來制作車架。雖然存在上述的現(xiàn)實(shí)問題,但是碳纖維車架還是具有其它素材所沒有的優(yōu)點(diǎn),可以制造8、9kg左右的輕量自行車,這種碳纖維輕量自行車,登坡時(shí)最能體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn),登坡順利而爽快。而不會(huì)像一些輕的鋁合金車架,登坡時(shí)感到有一種向后拉的力量。
碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。非常輕,但它是具有方向性的材料(拉伸強(qiáng)但容易斷),因此采用把薄料層層重疊的方法來解決缺點(diǎn)。(右圖)COLNAGO牌的碳纖維車架,2萬多元)
●碳纖維車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).可以制作重量輕的車架
碳纖維車架是把碳纖維對著發(fā)生應(yīng)力的方向?qū)訉盈B而得到強(qiáng)度。碳纖維車架非常輕,這是它的密度和強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度構(gòu)成的。
捷安特的碳纖維車架非常輕,2000年的型號1.2kg重
(2).沖擊吸收性好
碳纖維用來制作殘疾者運(yùn)動(dòng)時(shí)用的假腿,或者特殊的彈簧等被用在各領(lǐng)域。利用它的吸收沖擊力優(yōu)異的性能,制作不用避震器的自行車。如SCOTT廠的ELEVATED車架是著名的。但是各個(gè)廠家之間的品質(zhì)差異較大,有的很硬,因此這種車架乘騎后才能知道好或者不好。
(3).可以制造各種形狀的車架
碳纖維的基本成型方法是,在模具上鋪上纖維片然后流入樹脂并燒固。可以制成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。
●碳纖維車架的缺點(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。加工技術(shù)各廠家各異,應(yīng)選擇有經(jīng)驗(yàn)而可靠廠家的制品是很重要的。
(2).難于更改尺寸
由于作好模具后成型,難于更改尺寸。無法相應(yīng)多尺寸多款式的訂單。
(3).老化?
使用樹脂因此會(huì)不會(huì)老化?這是一個(gè)存在的課題,它放置在陽光下時(shí)會(huì)逐漸變白。當(dāng)然這種現(xiàn)象關(guān)系到廠家的技術(shù)。最好不要放置在陽光下。
金屬為基體的混合物(M2,MMC)
金屬為基體的混合物是在鋁素材中混入陶瓷粉末或者纖維等物體,使它析出增強(qiáng),制造出強(qiáng)度大的材料。它的強(qiáng)度比鋁合金強(qiáng)許多,是一個(gè)新的素材。有的混入氧化鋁粉末。M4指的是再多加入兩種合金,用這種材料制成的車架沖擊吸收性更好。
●金屬為基體的混合物車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).可以制作重量輕的車架
它和鋁合金比較,拉伸強(qiáng)度大,極薄的管也能保持強(qiáng)度,因此車架很輕。這種輕是有剛性的輕。
(2).剛性高
如SPECIALIZD的M2車架使人感到很結(jié)實(shí),管的直徑也大,剛性也好。
●金屬為基體的混合物車架的缺點(diǎn)
(1).焊接
關(guān)于這方面的資料很少,看實(shí)物焊珠部分正常,但是GUSSET就年年大型化。補(bǔ)強(qiáng)的目的是什么?尚未清楚。陶瓷粉末在鋁母體中均衡地存在,進(jìn)行焊接時(shí)陶瓷粉末能否均衡分散是個(gè)非常困難的事,能獲得何等程度的機(jī)械強(qiáng)度是大家所關(guān)心的事,總之,由GUSSET補(bǔ)強(qiáng)已達(dá)到相當(dāng)?shù)乃健?div style="height:15px;">
(2).沖擊吸收性差
關(guān)于這一點(diǎn)很多人有同樣的感覺,前部有避震器因此個(gè)人的感覺會(huì)有差異,但是后部非常明顯,沖擊力太大,會(huì)腰痛的。該材料的車架不適合于長途騎行。但是在時(shí)間短的比賽中能發(fā)揮威力。
鎂合金
鎂的比重很輕(1.74),約鐵的1/5,鈦的2/5,鋁的2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領(lǐng)域里,如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。通過合金化耐腐蝕性也得到進(jìn)一步提高。
●鎂合金車架的優(yōu)點(diǎn)
(1).可以制造重量輕的車架
它比鋁密度低,可以制造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些,但是可以用加粗管直徑及橢園化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量,將來可能會(huì)被鎂合金取代??鈦和鎂的研究課題稍不同,這兩種金屬今后仍然會(huì)活躍下去。
(2).加工性好
鎂制車架加工不會(huì)差。切粉的燃燒、爆炸等能夠通過合金元素來回避的話,剪斷、溶接性可能不會(huì)差。和鈦比較起來加工性好。
●鎂合金車架的缺點(diǎn)
(1).耐腐蝕性如何?
生產(chǎn)鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當(dāng)前還很少,耐腐蝕性好到何種程度難于判斷。鎂是劇烈氧化的金屬,不小心操作錯(cuò)了很容易爆炸,純鎂一般不能使用,添加其他金屬(鋁、鋅、錳等)制成合金來使用,制成的鎂合金強(qiáng)度、機(jī)械性能都得到提高。有些人曾經(jīng)使用過鎂合金制用具,如摩托車的曲柄套等、他們說:「雖然用了很久,但是很好,不會(huì)象鋁般發(fā)白。
(2).鎂的楊氏彈性模量(決定剛性的因素)比鋁低許多,要增加其剛性管的直徑要大,這可能會(huì)影響對空氣的阻抗?。
(3).成本如何?鎂已經(jīng)用在筆記本電腦的框體上,用它來制作車架成本將是如何?現(xiàn)在尚未知。
鍛造和鑄造[tr]
[td=1,1,671]制造自行車的部件要經(jīng)過鍛造、鑄造、切削、研磨等加工過程,在此簡單介紹鍛造和鑄造。
鍛造:鍛造是把棒狀、板狀等的鐵錠加熱,然后用錘子打,或者用油壓等加壓成形。用這個(gè)方法加工的比起鑄造在拉伸強(qiáng)度、粘性強(qiáng)等方面好許多,可以制成非常好的制品。強(qiáng)度大而薄,材料的浪費(fèi)也少。是一個(gè)很好的加工方法。如劍是用這種方法加工的。缺點(diǎn)是價(jià)格貴,不適合于大量生產(chǎn),加工復(fù)雜形狀的困難等。
鑄造:鑄造是把金屬溶融后注入模具中冷卻成形。它的優(yōu)點(diǎn)是可以制造復(fù)雜形狀的物體,適合于大量生產(chǎn),價(jià)格便宜。如壓鑄加工可以制造強(qiáng)而復(fù)雜形狀的制品(照相器的機(jī)體、鋁制車圈等等。但是強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上鍛造。不能進(jìn)入模具部分的材料浪費(fèi)(當(dāng)然這些材料以循環(huán)使用)。
鍛造
鑄造
單件的成本
高
便宜
強(qiáng)度
比較強(qiáng)
比較弱
用在自行車上的制品
高級曲柄
廉價(jià)配件
材料和環(huán)境
何謂腐蝕:腐蝕是金屬和環(huán)境之間科學(xué)地相作用的結(jié)果改變了金屬的性質(zhì),金屬與環(huán)境,或者構(gòu)成它們的一部分實(shí)用體系機(jī)能受到了損傷。簡單地說金屬表面變質(zhì)了。對自行車來說金屬表面受損傷時(shí)會(huì)引起生銹,其中鉻鉬鋼車架最為明顯。腐蝕自行車的最大原因是下雨,尤其是酸雨的腐蝕性最勵(lì)害。
鉻鉬鋼和環(huán)境的關(guān)系
涂漆加工粗糙以及沒有防銹加工的車架,鉻鉬鋼管表面和涂漆之間開始腐蝕,涂漆部分彭脹起來,或者局部受到腐蝕。若發(fā)現(xiàn)自行車受傷,建議把受傷部位擦干凈并用錘刀搞平傷口,防銹加工后涂漆??傊畟谑歉g的最大原因。
另外,發(fā)生應(yīng)力多的部位也容易生銹,如焊接周圍,彎曲部位等。廉價(jià)的自行車,焊接后沒有熱處理(消除應(yīng)力退火)就出貨,這種自行車若發(fā)生生銹,局部或整體不斷地腐蝕下去。
鋁和環(huán)境的關(guān)系
鋁從外觀上看起來是相當(dāng)耐腐蝕的材料。尤其是經(jīng)過鋁表面鈍化處理的強(qiáng)度更大。這種處理是除了美化表面外,在鋁的表面形成的多孔質(zhì)地Υ-A1203(氧化鋁),用滾水或蒸氣處理,封住其孔(如禧碼諾XT.XTR)。氧化鋁非常耐腐蝕,不被一般的酸溶解(如鹽酸、硝酸等),只能溶在氟酸等強(qiáng)酸。它也使用在研磨劑里,不可見它的耐腐蝕性極強(qiáng)。
碳纖維和環(huán)境的關(guān)系
碳纖維含有樹脂因此也可以說耐酸。但是對碳纖維來說應(yīng)多考慮內(nèi)在因素,它用樹脂因此樹脂老化的可能性是存在的。碳纖維制自行車不使用時(shí)應(yīng)該避開陽光,日光和環(huán)境的溫度對它的影響最大。
鈦和環(huán)境的關(guān)系
耐腐蝕性極佳(被使用在和原子能有關(guān)的部門),不怕雨水、不怕受傷、沾上水滴也不用抹干凈。用這種材料制作自行車實(shí)在浪費(fèi)??但是鈦也有缺點(diǎn)如前述(異種金屬腐蝕),如鋁制配件和鈦制配件接合在一起時(shí)逐漸被腐蝕掉。
除了鈦之外,其他金屬之間也會(huì)發(fā)生異種金屬腐蝕,尤其是坐管部位,例如,把鋁制坐管和鉻鉬鋼車架接合在一起而不管它時(shí),接觸面變成褐色,甚至于無法把它們解脫下來。
金屬的疲勞度
自行車和疲勞
制作自行車車架的材料有鉻鉬鋼、鋁、鈦、碳纖等。其中用最薄的管來制作的是鉻鉬鋼車架。它的加工性好,材料便宜,騎感好,但它必需制成薄壁管,這種薄壁的管會(huì)有較高的拉伸強(qiáng)度和加工性。
鉻鉬鋼的強(qiáng)度較容易逐漸減弱,也就是較容易疲勞的現(xiàn)象表現(xiàn)在如下。
(1).同樣的沖擊力加在各種材料上,鉻鉬鋼薄管所發(fā)生的應(yīng)力最大(容易發(fā)生疲勞而引起的破壞)。
(2).對鉻鉬鋼的研究的歷史較長,最大限制地利用它的特性制成極薄壁的管,應(yīng)力雖然發(fā)生的各個(gè)局部部位,但是對整個(gè)管來說會(huì)發(fā)生較高的應(yīng)力。
(3).由生銹引起的全面腐蝕將會(huì)引起管壁的變化,結(jié)果這個(gè)現(xiàn)象又提高了應(yīng)力,引起疲勞破壞。
(4).應(yīng)力集中在局部而生銹、或者外傷引起的凹處,從該處引起疲勞破壞。
(5).參加比賽時(shí)產(chǎn)生的沖擊,使車架發(fā)生較高的應(yīng)力,使用的次數(shù)越多,疲勞破壞也逐漸增多。
以上主要是針對鉻鉬鋼,但是近來鋁合金制的車架發(fā)展迅速,有許多用薄壁的鋁管制作的車架,它們是否上述的鉻鉬鋼制車架一樣,發(fā)生疲勞破壞呢?尤其是鋁沒有耐疲勞限度,很小的應(yīng)力也必定會(huì)產(chǎn)生破壞。其應(yīng)力越大破壞所需時(shí)間越短?,F(xiàn)在所出售的極薄壁管的鋁制車架,廠家都未明確注明其壽命。
焊接和疲勞[tr]
[td=1,1,671]鉻鉬鋼車架的焊接使用銀焊料的焊片焊接較多。鉻鉬鋼管是在再結(jié)晶溫度下焊接,因此管的強(qiáng)度不會(huì)降低,也不會(huì)變質(zhì)。但是所使用焊片加重了管的重量。
鈦管是使用前述的Tig溶接,焊接時(shí)所使用的不活性氣體的水蒸氣、或者不純物體在溶接時(shí)混入的可能性是存在的,這些事可能將成為引起疲勞破壞的原因。溶接不良使得應(yīng)力集中在溶接部位,也會(huì)引起疲勞破壞。
剛性
曾經(jīng)多次提過決定剛性的重要因素是楊氏彈性模量,但是管的外徑也會(huì)影響剛性。
最大剪斷應(yīng)力
車手騎在自行車上面時(shí),復(fù)雜的應(yīng)力加在車架上面。尤其是轉(zhuǎn)向握把,或者站立騎行而使車子搖擺時(shí),假若車子的剛性不足時(shí),騎起來很不舒服的。車架的剛性夠不夠往往是在這種場合被議論。在此著重講一講復(fù)雜的應(yīng)力中,在管道上施于扭等動(dòng)作時(shí)的轉(zhuǎn)矩的情況。在轉(zhuǎn)矩存在的狀下,最大剪斷應(yīng)力發(fā)生在管的外周,它的公式加下。
在此τmax是最大剪斷應(yīng)力,M是給管道的外來荷重,Do是外徑,Di是內(nèi)徑。所發(fā)生的最大剪斷應(yīng)力由外來的荷重和管的外徑、內(nèi)徑所決定。從這個(gè)公式可以設(shè)想:材料本身固有的數(shù)據(jù)之外,改變外徑、內(nèi)徑來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來荷重。
剛性比、重量比 在此簡單說明加倍外徑、內(nèi)徑時(shí)的剛性及重量的變化。重量比的計(jì)算結(jié)果為4倍。2φ表示外徑、內(nèi)徑為2倍。
剛性比的計(jì)算結(jié)果如下所述8倍。
從上述計(jì)算結(jié)果可知,改變外徑時(shí)重量加大到4倍,強(qiáng)度增加到8倍,效果還是很大的。利用這種方法也有限度的,外徑過于大時(shí)對于外來的壓力會(huì)增加面法線的壓力成分,如金屬表面容易凹進(jìn)去(象啤酒的罐般)。
車架的壽命
車架強(qiáng)度的探索
車友們,希望你的自行車能用多久?除非有經(jīng)濟(jì)條件許可者追求新款式自行車之外,一般都希望能使用越久越好。在此主要記述影響車架強(qiáng)度的金屬疲勞問題。
在前面已講過自行車的金屬疲勞是不可避免的現(xiàn)象。具體地說:影響最大的是,加在管上的應(yīng)力、管的材料、疲勞極限。
設(shè)計(jì)自行車管道時(shí),增加應(yīng)力的話,不得不增加管壁的厚度。疲勞極限高而薄管壁的加工方法,目前主要采用Padded加工方法,這種方法是:發(fā)生集中應(yīng)力的部位如接合部位,按理應(yīng)增加該部位的厚度,但是不增加厚度,代替它的方法是,減少應(yīng)力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此舉幾個(gè)薄壁管道的例子。
高級鉻鉬鋼管:中央部位的管壁厚度為0.5mm。Dedacciai公司的最高級鉻鉬鋼管的管壁厚度為0.4mm。
鋁制車架:Dedacciai公司的最高級鋁管SC61-10A的管壁中央的厚度為0.8mm。最便宜的鋁制車架的管道的厚度為1.8~1.3mm,可見Dedacciai公司的最高級鋁管的厚度多么??!這種薄的管使人感到強(qiáng)度行不行呀!
鈦制車架:關(guān)于鈦制車架有Panasonic的0.6mm厚度。另外,在鈦制車架方面最著名的美國Litespeed公司,該公司的廣告用語是:我們的鈦合金的疲勞壽命可達(dá)到鋁、鐵的5倍。
作為自行車運(yùn)動(dòng)愛好者來說,能夠騎上把管壁加工至極限的薄而輕的車子是可以接受的,但是乘騎的次數(shù)越多,強(qiáng)度越下降,年年要換新的車子的話,薄料的車子有什么用呢,當(dāng)然專業(yè)選手就不同了,他們有練習(xí)用車及比賽用車。是否能夠維持性能特性的車架應(yīng)成為選擇車架的條件?
車架的外觀
容易生銹的自行車讓人討厭,雖然小心愛護(hù)自行車,但是總是會(huì)生銹,愛護(hù)車的人看到這種現(xiàn)象很心痛的。因此人們尋找不會(huì)生銹的自行車如鋁或鈦制自行車。
筆者心目中的理想的自行車[tr]
[td=1,1,671]●材料的選擇
已經(jīng)介紹了幾種自行車材料,總地來說,騎感好的是鉻鉬鋼制的、要輕的是鋁制的,沖擊吸收性最好的是碳纖。鈦合金制的上述各種性能都不是最好的,但是為什么對它感興趣呢?因?yàn)樗怯星巴镜慕饘佟?div style="height:15px;">
●鉻鉬鋼已經(jīng)使用了很久,對它的研究也最多,除非有什么突破,鉻鉬鋼的前途可想而知的了。使用適正厚度的管道時(shí)重量是會(huì)增加,但是不容易引起金屬疲勞,這種車能帶給車手極佳的騎感。有些自行車競技必需用鉻鉬鋼制的車子,因?yàn)樗芙Y(jié)實(shí),容易操作。這種車子才是鉻鉬鋼本來的面貌。有些薄壁的鉻鉬鋼車子,金屬表面很容易凹進(jìn)去,那種車子是不行的。單純地追求薄壁的管道的現(xiàn)在,鉻鉬鋼應(yīng)該走自己的道路,充分發(fā)揮其優(yōu)勢,否則很可能被其他材料淘汰。
●自行車用鋁管,當(dāng)前的設(shè)計(jì)方針很危險(xiǎn),鋁是沒有疲勞極限,為了降低應(yīng)力應(yīng)該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁,使用強(qiáng)勒的新合金來制作車架。從外觀來看這些制品使人引起很不錯(cuò)的錯(cuò)覺,但是疲勞壽命將是如何呢?鋁管的薄壁程度已經(jīng)到了極限,不可能再薄下去。結(jié)果它的命運(yùn)將和鉻鉬鋼一樣。進(jìn)一步來說,騎車摔倒時(shí),因它塑性變形量少,破斷時(shí)很可能發(fā)生一口氣的脆性破壞。今后鋁制自行車向那一個(gè)方向發(fā)展呢?我認(rèn)為可能會(huì)成為比賽專用自行車的素材。若用鋁制自行車來練習(xí),一定會(huì)感覺到性能的降低顯著。
●碳纖維制自行車是有前途的,通過應(yīng)力計(jì)算會(huì)找到最適合的加工條件。另外是信心問題,假若廠家應(yīng)該提供可信賴的割裂、耐用等數(shù)據(jù)時(shí),需要量會(huì)增加。當(dāng)前尚存在各種問題。
●鈦管還有發(fā)展的余地,強(qiáng)度可能會(huì)超過鉻鉬鋼,現(xiàn)在已能制造1.5kg的車架,將來一定會(huì)出現(xiàn)1kg的車架,鈦必定會(huì)奪去鋁的"輕量王"的寶座。另外,鈦不需要涂漆,可減少這部分的重量(20~40g)。將來最理想的是鈦制自行車?這只是紙上談兵,和車友們一起探討。筆者所選擇的鈦合金是下述的β合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (在TI中添加15%的Mo,5%的Zr,3%Al)。
車架的構(gòu)造正統(tǒng)的鉆石型(有前三角的車架)的最適宜。因?yàn)檫@種正統(tǒng)款式下訂單時(shí)可變性大。其他款式的無法解決各種樣求。chine stay和seat stay不采用碳纖的混合體。我最關(guān)心的是接合部位,該部位長期使用時(shí)其強(qiáng)度如何變下去,因?yàn)槲乙笞孕熊嚨膲勖L。
下管選擇Panasonic的cobura管,中心厚度要求0.45mm,接合部位1.2mm。上管用double badded,向橫方向壓采取縱oval。坐管采用high seat30mm,seat徑26.8mm,因?yàn)楣P者已有的pillar為27.mm和26.8mm。車頭是過大形的車把立。seat stay要S形彎曲,由此吸收沖擊性。chine stay增加厚度,采用肉厚的薄管。