找回密码
 注册

快捷登录

扫码登录更安全

自行车材料浅谈

来源: 菲巨擘 2013-8-20 23:35:21 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国浙江杭州

登录后获得更多功能

您需要 登录 才可以下载或查看,没有账号?注册

x
关于对自行车材料的认识
(注*大部分自行车类网站都已转贴此贴,也从无知晓和查找作者,在这种情况下视为默认,所以不负任何相关的法律责任,也不存在作者原创问题)
这是老贴,在论坛上也有些年头了!初步看了看。。。感觉论坛里玩装备的太多,谈论自行车的太少转贴此贴,也是真正的想和广大车友真心探讨一些有用的知识!
相关文字经过我编辑后如下:
材料的常用知识应力以及变形
(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(GNm2)来表示。数据越大弹性率越高。
相关数据如下:
铬钼钢 (低合金钢) 200-207
铝合金 69-79
钛 116
钛合金 80-130
碳纤 70-200
镁合金 41-45
结论: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。
第二部分屈服强度、拉伸强度(MPa,N/mm2)
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。
相关资料如下:
用在自行车上的材料 拉伸强度
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 753 597以上
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/cm3)
铬钼钢(低合金钢) 7.9
铝合金 2.6-2.9
钛 4.5
钛合金 4.3-5.1
碳纤 (CFRP) 1.5-1.6
镁合金 1.7
结论: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。还要考虑拉伸强度、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。
增强材料
重排:所指的是在金属结晶中会产生的移动现象(原子间存在间隙,使结晶移来移去)。发生重排现象时金属会变形。强化材料也就是想办法制造出不要发生重排现象的结构。在此介绍4种强化材料的方法。固溶体强化、析出强化、通过硬化加工来增强、结晶体的微细化来增强
固溶体强化
在铁等母体材料中熔入铬、钼等,使母体材料变成不同半径的结晶构造。此时的原子称为固溶体。在此举个例来说明这种现象。比母体的原子半径小的原子进来时发生的现象。
「在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,此时进来了小孩,为了防止小孩被挤坏,汉子们开始靠向四周」。
比母体的原子半径大的原子进来时:
「在电梯里已有9位大汉子已相当拥齐,其中有一个人下了电梯,但是又进来了肥胖的大娘,此时汉子们又开始靠向四周」。如上述现象在结晶体四周发生了应力,使得重排现象变小了。利用这个方法的是铬钼钢。
析出强化
当前,自行车材料中的铝合金制品普遍受到欢迎。增强铝的方法将在铝项目中记述,在此只讲强化的原理。固溶在金属中的添加物,会产生饱和状态(不完全溶解),添加的量超过饱和状态时,因未能完全溶解而析出。
具体地说,提高温度时饱和量也增加,完全溶解的瞬间开始慢慢冷却时,能析出大的结晶。用食盐来做实验会看到这个现象,食盐的场合,急速冷却时析出细小的盐结晶,但是金属一般不会析出,若冷却速度快时,不会析出而强迫使它固溶。
对处于此状态下的金属,逐渐提高它的温度时慢慢析出。在此需要注意的是过于析出不可,析出不够也不行,温度过高、过低也不可以,该温度叫作热处理温度(也称作人工时效处理)。最理想的是析出的结晶细而均一,从而阻止重排,材料不容易变形。举个例子:「走在森林里,若大树较多时容易走路(大的析出物),密密麻麻小树多的话不容易走(细小的析出物)」,和这个道理一样细小的析出物较难重排。
硬度加工来增强的方法
对材料进行加工就产生重排现象,也就产生材料的变形。各种材料的重排现象是极为复杂,不在此记述,简单地说:重排后不是整齐地排队,而复杂地啮在一起的话,材料的变形就困难了。如马路上走路时,走路的人不断增加(重排的增殖),就难于前进(重排移动变得困难,从而不容易变形)。利用此方法的有管道拉拔和喷丸硬化(SHOT PEENING)。
结晶体的微细化来增强
结晶在高温下完全溶解后,急冷时得到微细的组织。这个过程叫作淬火。结晶变微细后,重排移动的连续性就难于保持,结果材料得到了增强。(比方:人能活动的范围变小了)。
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。铁制车架的最大特征是可在各种成份,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它的素材重(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。它的性能如下:
1、淬火性好。
2、对回火处理的抵抗性大。
3 、回火脆性倾向少。
4 、高温加工性好,加工后美观。
5、熔接性好。
铬钼钢车架的优点
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。
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。
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。
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
容易生锈
车架用的铬钼钢含有铬,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→内压减少→强度下降(应力集中)。
金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)
若使用内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(1000°C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得差。
铝合金 (Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu))
铝材料概述
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-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
6061合金的机械特性
热处理 T5 T6 T83
伸长强度 (MPa) 190 246 260
耐力(MPa) 148 218 246
伸长(%) 12 12 11
剪断强度(MPa) 119 155 155
布氏硬度 60 73 82
疲劳强度(MPa) 67 67
7005,7075合金的机械特性
合金名称 7005 (7003) 7075 T6
热处理 T53 0 0 T651
伸长强度(MPa) 345 230 597
耐力(MPa) 305 107 526
疲劳强度(MPa) 130 163 163
伸长(%) 17 11
E(GPa) 74 74 74
铝合金车架的优点
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,若没有经过这个程序的车架,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。
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。
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。根据公开的数据,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
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。
  必需进行热处理,否则强度不够。因此一般的规模不大的工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。
钛、钛合金(Ti,Ti-Al-V)及其优点
可以制作轻量而强度大的车架
纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒,弹性更高(和铝比较),也有利于设计。
不生锈
钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如,不同种类的合金接合在一起时,成为电极状态,电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏,如商品名:Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失,即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧,接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为“粘住”,它和“烘焙”是不同的。
“粘住、咬合”:金属之间通过腐蚀来接合的现象。
“烘焙接合”:加工金属时所产生的热量来溶融接合。
骑感好
钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架,认为骑感极佳。但是个人各异,有人和铬钼钢比较后认为,铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好,骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进,也许会有和铬钼钢同样的骑感。
有些钛制车架使人感到摇摆,这也许是使用plane管(没有加padded的,厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金,但没有用薄的管等也有关系。
钛合金车架的缺点
价格高
钛在自然界以二氧化钛的形态存在,提练及加工过程复杂,技术要求高,并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难,因为钛和氧的亲和力极强,和空气接触后马上变成二氧化钛,而二氧化钛硬而脆,该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是:(Tig:钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。由于以上原因钛车架价格很贵。
近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵,这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小,钛的用量少了;优秀的技术员开始用钛来制作车架;制作钛车架的成本降低等原因。
历史
美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是“轻而硬”。早期的钛合金车架,作为比赛用车,刚性不足,其车架不适合于长距离赛车,也不是适用于所有的比赛,只适合用在山地,或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷,曾经有些热中于轻量化的骑手,把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉,贵而稀有,实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高,价格才较贵。
金属钛比重轻、强度大,同时耐腐蚀性高的材料,一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高,热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度
钛合金的机械性能
合金名称 区分 拉伸强度(MPa) 耐力(Mpa) 伸长(%) E(GPa)
纯钛 JIS 3种 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
时效处理 1160 1100 10


                               
登录/注册后可看大图
该贴已经同步到 菲巨擘的微博
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

关注0

粉丝1

帖子51

发布主题
骑友网公众号
骑友网今日头条
骑友网服务号
骑友网APP