单车之家-BikeHome.net

标题: <转贴>自行车材料知识 [打印本页]

作者: 林海 时间: 2006-6-2 00:37
标题: <转贴>自行车材料知识
帖子很长，但对单车所涉及的材料，介绍得非常详尽。有耐心读完全文，可以成“专家”啦！

认识自行车材料

一、　　材料的常用知识
1.　　　　　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。

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

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。
2.　　　　　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。

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)  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

3.　　　　　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

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。
4.　　　　　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。
4.1 　　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。
4.2 　　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。
4.3 　　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)。
4.4 　　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)。

二、　　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。
1.　　　　　铬钼钢是铬、钼的合金。它的性能如下：
1.1 　　淬火性好。
1.2 　　对回火处理的抵抗性大。
1.3 　　回火脆性倾向少。
1.4 　　高温加工性好，加工后美观。
1.5 　　熔接性好。
2.　　　　　铬钼钢车架的优点
2.1 　　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。
2.2 　　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。    2.3 　　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。
2.4 　　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。
3.　　　　　铬钼钢车架的缺点
3.1 　　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→肉压减少→强度下降(应力集中)。
3.2 　　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。

三、　　铝合金（Al-Mg-Si,Al-Zn-Mg-(Cu)）
1.　　　　　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                     30       597
耐力(MPa）                  305                      107      526
疲劳强度(MPa）            130                      163      163
伸长（％）                                                   17      11
E(GPa）                                        74          74      74

2.　　　　　铝合金车架的优点
2.1 　　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。
3.　　　　　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。
4.　　　　　铝合金车架的缺点
4.1 　　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。
4.2 　　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。

四、　　钛、钛合金（Ti,Ti-Al-V)
1.　　　　　概述
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。
2.　　　　　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
    
3.　　　　　钛合金车架的优点
3.1 　　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。
3.2 　　 .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。
3.3 　　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。
4.　　　　　钛合金车架的缺点

4.1 　　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。

五、　　碳纤维（CERP)
1.　　　　　概述
碳纤维车架的特征是“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它素材所没有的优点，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。(右图)COLNAGO牌的碳纤维车架，2万多元)
2.　　　　　碳纤维车架的优点
2.1 　　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
2.2 　　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。
2.3 　　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。
3.　　　　　碳纤维车架的缺点
3.1 　　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拓扑纵刚性、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。
3.2 　　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式的订单。
3.3 　　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。

六、　　金属为基体的混合物（M2，MMC)
1.　　　　　概述
金属为基体的混合物是在铝素材中混入陶瓷粉末或者纤维等物体，使它析出增强，制造出强度大的材料。它的强度比铝合金强许多，是一个新的素材。有的混入氧化铝粉末。M4指的是再多加入两种合金，用这种材料制成的车架冲击吸收性更好。
2.　　　　　金属为基体的混合物车架的优点
2.1 　　可以制作重量轻的车架
它和铝合金比较，拉伸强度大，极薄的管也能保持强度，因此车架很轻。这种轻是有刚性的轻。
2.2 　　刚性高
如SPECIALIZD的M2车架使人感到很结实，管的直径也大，刚性也好。
3.　　　　　金属为基体的混合物车架的缺点
3.1 　　焊接
关于这方面的资料很少，看实物焊珠部分正常，但是GUSSET就年年大型化。补强的目的是什么？尚未清楚。陶瓷粉末在铝母体中均衡地存在，进行焊接时陶瓷粉末能否均衡分散是个非常困难的事，能获得何等程度的机械强度是大家所关心的事，总之，由GUSSET补强已达到相当的水平。
4.　　　　　冲击吸收性差
关于这一点很多人有同样的感觉，前部有避震器因此个人的感觉会有差异，但是后部非常明显，冲击力太大，会腰痛的。该材料的车架不适合于长途骑行。但是在时间短的比赛中能发挥威力。

七、　　镁合金
1.　　　　　概述
镁的比重很轻(1.74)，约铁的1/5，钛的2/5，铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里，如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。
2.　　　　　镁合金车架的优点
2.1 　　可以制造重量轻的车架
它比铝密度低，可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些，但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量，将来可能会被镁合金取代？钛和镁的研究课题稍不同，这两种金属今后仍然会活跃下去。
2.2 　　加工性好
镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话，剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。
3.　　　　　镁合金车架的缺点
3.1 　　耐腐蚀性如何？
生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。但是这方面的资料当前还很少，耐腐蚀性好到何种程度难于判断。镁是剧烈氧化的金属，不小心操作错了很容易爆炸，纯镁一般不能使用，添加其他金属(铝、锌、锰等)制成合金来使用，制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。有些人曾经使用过镁合金制用具，如摩托车的曲柄套等、他们说：「虽然用了很久，但是很好，不会象铝般发白。
3.2 　　镁的杨氏弹性模量(决定刚性的因素)比铝低许多，要增加其刚性管的直径要大，这可能会影响对空气的阻抗？。
3.3 　　成本如何？镁已经用在笔记本电脑的框体上，用它来制作车架成本将是如何？现在尚未知。

八、　　锻造和铸造
制造自行车的部件要经过锻造、铸造、切削、研磨等加工过程，在此简单介绍锻造和铸造。
1.　　　　　锻造
锻造是把棒状、板状等的铁锭加热，然后用锤子打，或者用油压等加压成形。用这个方法加工的比起铸造在拉伸强度、粘性强等方面好许多，可以制成非常好的制品。强度大而薄，材料的浪费也少。是一个很好的加工方法。如剑是用这种方法加工的。缺点是价格贵，不适合于大量生产，加工复杂形状的困难等。
2.　　　　　铸造
铸造是把金属溶融后注入模具中冷却成形。它的优点是可以制造复杂形状的物体，适合于大量生产，价格便宜。如压铸加工可以制造强而复杂形状的制品(照相器的机体、铝制车圈等等。但是强度远远比不上锻造。不能进入模具部分的材料浪费(当然这些材料以循环使用)。

                                    锻造                  铸造
单件的成本                     高                      便宜
  强度                        比较强                比较弱
用在自行车上的制品         高级曲柄            廉价配件

九、　　材料和环境
1.　　　　　腐蚀
腐蚀是金属和环境之间科学地相作用的结果改变了金属的性质，金属与环境，或者构成它们的一部分实用体系机能受到了损伤。简单地说金属表面变质了。对自行车来说金属表面受损伤时会引起生锈，其中铬钼钢车架最为明显。腐蚀自行车的最大原因是下雨，尤其是酸雨的腐蚀性最励害。
2.　　　　　铬钼钢和环境的关系
涂漆加工粗糙以及没有防锈加工的车架，铬钼钢管表面和涂漆之间开始腐蚀，涂漆部分彭胀起来，或者局部受到腐蚀。若发现自行车受伤，建议把受伤部位擦干净并用锤刀搞平伤口，防锈加工后涂漆。总之伤口是腐蚀的最大原因。
另外，发生应力多的部位也容易生锈，如焊接周围，弯曲部位等。廉价的自行车，焊接后没有热处理(消除应力退火)就出货，这种自行车若发生生锈，局部或整体不断地腐蚀下去。
3.　　　　　铝和环境的关系
铝从外观上看起来是相当耐腐蚀的材料。尤其是经过铝表面钝化处理的强度更大。这种处理是除了美化表面外，在铝的表面形成的多孔质地Υ-A1203(氧化铝)，用滚水或蒸气处理，封住其孔(如禧码诺XT.XTR)。氧化铝非常耐腐蚀，不被一般的酸溶解(如盐酸、硝酸等)，只能溶在氟酸等强酸。它也使用在研磨剂里，不可见它的耐腐蚀性极强。
4.　　　　　碳纤维和环境的关系
碳纤维含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素，它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光，日光和环境的温度对它的影响最大。
5.　　　　　钛和环境的关系
耐腐蚀性极佳(被使用在和原子能有关的部门)，不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹干净。用这种材料制作自行车实在浪费？？但是钛也有缺点如前述(异种金属腐蚀)，如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。
除了钛之外，其他金属之间也会发生异种金属腐蚀，尤其是坐管部位，例如，把铝制坐管和铬钼钢车架接合在一起而不管它时，接触面变成褐色，甚至于无法把它们解脱下来。

十、　　金属的疲劳度
1.　　　　　自行车和疲劳
制作自行车车架的材料有铬钼钢、铝、钛、碳纤等。其中用最薄的管来制作的是铬钼钢车架。它的加工性好，材料便宜，骑感好，但它必需制成薄壁管，这种薄壁的管会有较高的拉伸强度和加工性。
铬钼钢的强度较容易逐渐减弱，也就是较容易疲劳的现象表现在如下：
1.1 　　同样的冲击力加在各种材料上，铬钼钢薄管所发生的应力最大(容易发生疲劳而引起的破坏)。

1.2 　　对铬钼钢的研究的历史较长，最大限制地利用它的特性制成极薄壁的管，应力虽然发生的各个局部部位，但是对整个管来说会发生较高的应力。
1.3 　　由生锈引起的全面腐蚀将会引起管壁的变化，结果这个现象又提高了应力，引起疲劳破坏。
1.4 　　应力集中在局部而生锈、或者外伤引起的凹处，从该处引起疲劳破坏。
1.5 　　参加比赛时产生的冲击，使车架发生较高的应力，使用的次数越多，疲劳破坏也逐渐增多。
以上主要是针对铬钼钢，但是近来铝合金制的车架发展迅速，有许多用薄壁的铝管制作的车架，它们是否上述的铬钼钢制车架一样，发生疲劳破坏呢？尤其是铝没有耐疲劳限度，很小的应力也必定会产生破坏。其应力越大破坏所需时间越短。现在所出售的极薄壁管的铝制车架，厂家都未明确注明其寿命。
2.　　　　　焊接和疲劳
铬钼钢车架的焊接使用银焊料的焊片焊接较多。铬钼钢管是在再结晶温度下焊接，因此管的强度不会降低，也不会变质。但是所使用焊片加重了管的重量。
钛管是使用前述的Tig溶接，焊接时所使用的不活性气体的水蒸气、或者不纯物体在溶接时混入的可能性是存在的，这些事可能将成为引起疲劳破坏的原因。溶接不良使得应力集中在溶接部位，也会引起疲劳破坏。
3.　　　　　刚性
曾经多次提过决定刚性的重要因素是杨氏弹性模量，但是管的外径也会影响刚性。
最大剪断应力
车手骑在自行车上面时，复杂的应力加在车架上面。尤其是转向握把，或者站立骑行而使车子摇摆时，假若车子的刚性不足时，骑起来很不舒服的。车架的刚性够不够往往是在这种场合被议论。在此着重讲一讲复杂的应力中，在管道上施于扭等动作时的转矩的情况。在转矩存在的状下，最大剪断应力发生在管的外周，它的公式加下。
从上述计算结果可知，改变外径时重量加大到4倍，强度增加到8倍，效果还是很大的。利用这种方法也有限度的，外径过于大时对于外来的压力会增加面法线的压力成分，如金属表面容易凹进去(象啤酒的罐般)。
4.　　　　　车架的寿命
4.1 　　车架强度的探索
车友们，希望你的自行车能用多久？除非有经济条件许可者追求新款式自行车之外，一般都希望能使用越久越好。在此主要记述影响车架强度的金属疲劳问题。
在前面已讲过自行车的金属疲劳是不可避免的现象。具体地说：影响最大的是，加在管上的应力、管的材料、疲劳极限。
设计自行车管道时，增加应力的话，不得不增加管壁的厚度。疲劳极限高而薄管壁的加工方法，目前主要采用Padded加工方法，这种方法是：发生集中应力的部位如接合部位，按理应增加该部位的厚度，但是不增加厚度，代替它的方法是，减少应力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此举几个薄壁管道的例子。
高级铬钼钢管：
中央部位的管壁厚度为0.5mm。Dedacciai公司的最高级铬钼钢管的管壁厚度为0.4mm。
铝制车架：
Dedacciai公司的最高级铝管SC61-10A的管壁中央的厚度为0.8mm。最便宜的铝制车架的管道的厚度为1.8～1.3mm，可见Dedacciai公司的最高级铝管的厚度多么薄！这种薄的管使人感到强度行不行呀！
钛制车架：
关于钛制车架有Panasonic的0.6mm厚度。另外，在钛制车架方面最著名的美国Litespeed公司，该公司的广告用语是：我们的钛合金的疲劳寿命可达到铝、铁的5倍。
作为自行车运动爱好者来说，能够骑上把管壁加工至极限的薄而轻的车子是可以接受的，但是乘骑的次数越多，强度越下降，年年要换新的车子的话，薄料的车子有什么用呢，当然专业选手就不同了，他们有练习用车及比赛用车。是否能够维持性能特性的车架应成为选择车架的条件？
4.2 　　车架的外观
容易生锈的自行车让人讨厌，虽然小心爱护自行车，但是总是会生锈，爱护车的人看到这种现象很心痛的。因此人们寻找不会生锈的自行车如铝或钛制自行车。

十一、　　　　　　笔者心目中的理想的自行车
1.　　　　　材料的选择
已经介绍了几种自行车材料，总地来说，骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的，冲击吸收性最好的是碳纤。钛合金制的上述各种性能都不是最好的，但是为什么对它感兴趣呢？因为它是有前途的金属。
●铬钼钢已经使用了很久，对它的研究也最多，除非有什么突破，铬钼钢的前途可想而知的了。使用适正厚度的管道时重量是会增加，但是不容易引起金属疲劳，这种车能带给车手极佳的骑感。有些自行车竞技必需用铬钼钢制的车子，因为它很结实，容易操作。这种车子才是铬钼钢本来的面貌。有些薄壁的铬钼钢车子，金属表面很容易凹进去，那种车子是不行的。单纯地追求薄壁的管道的现在，铬钼钢应该走自己的道路，充分发挥其优势，否则很可能被其他材料淘汰。
●自行车用铝管，当前的设计方针很危险，铝是没有疲劳极限，为了降低应力应该增加厚度。但是为了单纯地谋求薄壁，使用强勒的新合金来制作车架。从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉，但是疲劳寿命将是如何呢？铝管的薄壁程度已经到了极限，不可能再薄下去。结果它的命运将和铬钼钢一样。进一步来说，骑车摔倒时，因它塑性变形量少，破断时很可能发生一口气的脆性破坏。今后铝制自行车向那一个方向发展呢？我认为可能会成为比赛专用自行车的素材。若用铝制自行车来练习，一定会感觉到性能的降低显著。
●碳纤维制自行车是有前途的，通过应力计算会找到最适合的加工条件。另外是信心问题，假若厂家应该提供可信赖的割裂、耐用等数据时，需要量会增加。当前尚存在各种问题。
●钛管还有发展的余地，强度可能会超过铬钼钢，现在已能制造1.5kg的车架，将来一定会出现1kg的车架，钛必定会夺去铝的\"轻量王\"的宝座。另外，钛不需要涂漆，可减少这部分的重量(20～40g)。将来最理想的是钛制自行车？这只是纸上谈兵，和车友们一起探讨。笔者所选择的钛合金是下述的β合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (在TI中添加15%的Mo，5%的Zr，3%Al)。
其他材料如镁、不锈钢等不在此记述。这些材料也许将来会有新的突破也说不定。
在此例出各素材的拉伸强度，从下表可知笔者所选的钛合金是多么优秀。

合金名称            PTT800(纯Ti)          Ti-3Al-2.5V    Ti-6Al-4V    SCM415    Ti-15Mo-5Zr-3Al
拉伸强度(Mpa)   800(通常纯Ti为550)    685               1160          ＞830            1470
伸长（％）             ＞18                     ＞20               10             ＞16                14

作者: 559 时间: 2006-6-2 01:03
收藏了

作者: chf_fish 时间: 2006-6-2 05:01
哇~~~简直精华啊~~~

作者: palals 时间: 2006-6-2 16:31
学习

作者: drift~~~ 时间: 2006-6-2 17:39
好专业

作者: richardz 时间: 2006-6-2 19:25

引用第4楼drift~~~于2006-06-02 17:39发表的“”:
好专业

什么好专业
我就是学金属材料科学
没什么好的

另外
这篇文章里面描述的一些基本参数以及各种材料大致上的差异是基本可信的
其他的一些东西
比如对各种名词的解释以及理论原理的描述
比如对各种处理（比如时效、固熔强化等等）的解释
从我的专业来说是不对的
至少是不准确的

所以
大家对这个有一个基本的印象就可以了

作者: richardz 时间: 2006-6-2 19:27
要是哪位对材料方面以及热处理技术的有兴趣
可以发E-mail给我
欢迎啊

作者: 559 时间: 2006-6-2 19:34

引用第6楼richardz于2006-06-02 19:27发表的“”:
要是哪位对材料方面以及热处理技术的有兴趣
可以发E-mail给我
欢迎啊

我想了解铝和碳的金属疲劳

作者: richardz 时间: 2006-6-2 20:46

引用第7楼559于2006-06-02 19:34发表的“”:

我想了解铝和碳的金属疲劳

首先碳不是金属
这个由于专业所限我不是太清楚
我可以去办公室查给你

金属材料的疲劳的原理很复杂
到现在也存在着分歧
我就不阐述了
通俗点
金属的疲劳一般是在循环低应力作用下（这里的低应力是指工作应力低于材料的屈服强度），在材料表面或内部产生微裂纹，并形成裂纹源，这是疲劳的第一阶段；然后进入第二阶段，就是扩展阶段；在零部件未开裂部分不能承受外界应力时，零部件发生一次加载断裂，发生疲劳断裂，这就是疲劳的第三阶段。
疲劳的过程是漫长的，特别是第一阶段和第二阶段。
而且在发生疲劳时，往往会伴随发生应力腐蚀腐蚀。对于应力腐蚀占主导因素的，称之为应力腐蚀疲劳。
疲劳断裂的断口有明显的特征，对于塑性材料，一般断口会呈现贝壳状或海滩状花纹，在微观上会出现明显的疲劳辉纹，疲劳辉纹的方向总是平行于裂纹扩展的方向，而垂直于宏观所观察到的海滩花纹。
这些断口特征是我再工作中判断是否发生疲劳的重要依据，特别是微观的疲劳辉纹。因为有时候疲劳在宏观上不一定会出现海滩状花纹。
对于脆性材料，在判断是否发生疲劳就十分困难了，主要靠个人经验。

疲劳的发生跟很多因素相关
大致包括材料成份、材料冶金质量、材料显微组织、残余应力、零部件表面质量、零部件宏观流线、零部件服役环境因素等等因素

对于一般疲劳，材料成份不是主导因素，它主要体现在最后的材料强度和塑性上；但在有腐蚀发生时，材料的成分就显得十分重要，这主要涉及到各个成分的电极电位因素。比如不锈钢，它就是加入一些细化晶粒，净化晶界，降低电极电位差异的元素，以抑制腐蚀的发生。这里要说明一下，不锈钢的不锈是相对的。大家在选材的时候一定要注意，耐不耐腐蚀跟材料的成分和残余应力有很大的关系，而与热处理工艺没有太大的关系。这点我在工作中是遇到过的。一定要根据使用环境选材，不然肯定要出事的。
材料的冶金质量主要是指材料非金属夹杂物，夹渣，气孔等等。这一点在拉拔成型的材料上尤其显得重要，材料内部的一个微小的孔洞在经过拉拔后会发生扩大或者变形形成锐角加剧应力集中，在材料内部成为薄弱点，在疲劳中形成裂纹源。特别是，拉拔成型的材料一般厚度会比较小，这方面的影响尤其显著。
一般塑性较好的材料疲劳性能也较好，材料的性能主要决定于材料的显微组织。如果要求高强度，高硬度，则可通过热处理获得马氏体，还可以通过固熔强化或时效强化获得高强度，比如曲轴的轴颈表面都是通过感应淬火获得马氏体的，但须注意的是，淬火后一定要及时回火，不然十有八九会发生应力开裂。对于一些对强度要求不高的部件，则可通过正火或退伙获得珠光体+铁素体组织，比如柴油机的机体。有些零部件需要较好的综合性能，比如螺栓，曲轴等，则可以通过调质处理（淬火+高温回火）获得索氏体，可以达到强度与塑性以及疲劳性能的完美结合。不过调质处理成本较高，现在我们在推广一种非调质合金钢，用控制冷却替代调质处理。这样可以大大降低成本，这是我去年完成的一个项目，已经被市里鉴定为具有国际水平

这里要说明一下，可能有人会问前面说曲轴要淬火，后面又说调质，其实是这样的，曲轴是一个复杂的部件，在发动机里是最难制造的。它的工作环境十分的恶劣，轴的主题需要良好的强度以及疲劳强度，而主轴颈以及连杆颈又需要高硬度和高耐磨性。所以，一般对曲轴主体进行调质，而对轴颈进行感应淬火处理。
残余应力对材料的疲劳性能也是至关重要的，残余拉应力会加速疲劳的发生，残余压应力会有效抑制疲劳的发生。表面喷丸和表面滚压就是使材料表面形成一层压应力层，以抑制疲劳的发生。这里需要注意的是，采用喷丸处理时，对所用丸粒的大小，表面质量以及喷丸时间强度一定要严格控制，不然会破坏部件的表面质量，而诱导疲劳的发生。
零件的表面质量的重要性是显而易见的，好的表面质量不仅仅是美观，它对疲劳性能有着至关重要的影响。学过材料力学的都知道，在扭转应力的作用下，部件表面的应力最大。因而，部件表面的微小缺陷或毛刺或加工刀痕都可能成为裂纹源，产生致命的结果。因而，机械部件的表面质量一直以来都是严格控制的。
宏观流线对疲劳性能也有一定的影响，这主要体现在一些重要的零部件上。一般来说锻造的部件的各项性能要优于机加工出来的部件，特别是锻造能够一定程度上焊合材料内部原先存在的孔洞，使材料更加致密，降低了材料内部产生疲劳源的几率。

今天就写这么多
可能个别地方表述的不是很到位
大家有什么具体问题再说
欢迎给我发邮件

作者: richardz 时间: 2006-6-2 20:47
由于我本身是搞柴油机的
对柴油机比较了解
对自行车就不是很了解了
还要加强啊

作者: 幽灵 时间: 2006-6-2 20:58
楼上的对金属的疲劳讲得很专业也通俗易懂，现在对金属疲劳有个大致了解。好帖！

作者: mars 时间: 2006-6-2 21:37
好长啊，好晕！现藏起来再说

作者: richardz 时间: 2006-6-2 21:40
我把字体改大了点

作者: 559 时间: 2006-6-2 21:41

引用第8楼richardz于2006-06-02 20:46发表的“”:

首先碳不是金属
这个由于专业所限我不是太清楚
.......

一个铝的车架到底能用多久呢？不是说断裂，是说性能的下降
据说国内专业队一个铝架不会超过180天

作者: richardz 时间: 2006-6-2 21:49

引用第13楼559于2006-06-02 21:41发表的“”:

一个铝的车架到底能用多久呢？不是说断裂，是说性能的下降
据说国内专业队一个铝架不会超过180天

金属构件在一般情况下
如果不发生疲劳或其他材料失效（如磨损）
只要保养的好
因该不会有使用期限的

在一些特殊条件下
如核辐射，或高腐蚀，或高温条件下
材料内部的位错、空穴等缺陷的分布及数量会改变
甚至发生局部材料严重破坏而失效
这些时一些特殊的失效形式

但如果说一个车架用180天就报废
我不知道是依据什么
个人认为
从材料角度应该是没有依据的

作者: richardz 时间: 2006-6-2 21:51
材料受核辐射失效的事情我这边有个老工程师说他遇到过
那是90年代初的事情了

作者: 559 时间: 2006-6-2 21:58

引用第14楼richardz于2006-06-02 21:49发表的“”:

金属构件在一般情况下
如果不发生疲劳或其他材料失效（如磨损）
.......

铝架的特点就是寿命短，用了一段时间后刚性和弹性都会下降很厉害

作者: richardz 时间: 2006-6-2 22:11

引用第16楼559于2006-06-02 21:58发表的“”:

铝架的特点就是寿命短，用了一段时间后刚性和弹性都会下降很厉害

这我就不太清楚其中的机理了
得回去查一查
请教一下老工程师

作者: api 时间: 2006-6-2 22:18
太专业了

作者: mococo 时间: 2006-6-4 17:58
好大的水啊，被淹了，谢谢楼主!

作者: 有信凉风 时间: 2006-6-8 13:11
正是想了解地，thanks

作者: 庆仔 时间: 2006-6-12 02:01
眼睛看花了

作者: 庆仔 时间: 2006-6-12 02:01
好贴要顶!!!!

作者: 易路车 时间: 2009-5-18 20:48
收藏!

欢迎光临单车之家-BikeHome.net (http://bbs.bikehome.net/)