车架材料的选择

JamesFan · 发表于 2012-10-6 18:08:29

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各种材料的车架优劣
近几年碳纤车相当流行，很多人都一味的赶潮流花大价钱买碳纤车玩。但是，强调轻量化的昂贵碳纤车就真的是最好、最适合的车架吗？为了打破一些人的迷惑，我们就应该先了解各种车架材料的特色以及优缺点了。

车架材料最早是使用铬钼钢，然后进化到使用铝合金，再然后是复合材料的使用如碳纤维。当然，还有钪合金、镁合金、钛合金等材料。厂商不断的在研发新材料配方，提升管件和结构设计能力，并创新加工技术。为的就是让车架更轻、更强、更舒适和更美观。

密度始终是决定车架重量的关键因素之一，密度越低，车架就可做得越轻。
材料名称密度
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
碳纤维复材 1.6
镁合金 1.7
由此我们可知，铬钼钢的密度最高，碳纤维最低。然而车架除了重量外，还得考虑拉伸强度、弹性系数等，所以尽管密度低，但强度不够还是不行。

一般而言，车架的刚性决定于材料的弹性系数，下表中列出了三种材料的弹性系数
材料名称弹性系数
钢 30
铝 10-11
钛 15-16.5

因此，当管径、壁厚一样时，铝车架的刚性只有钢车架的三分之一，钛车架的刚性也只有钢车架的二分之一。

另外，车架的强度则由材料的降伏强度来决定。降伏强度与车架管材的品质、热处理过程和合金成份有很大关系。
材料名称降伏点
铝 11-59
钛 40-120
钢 46-162

相比较之下，铝材显得较脆弱且易损坏。

在实际设计中，每个车架的管材管径大小会决定车架刚性、强度和重量，管材壁厚也会影响车架强度和重量。一个合适的车架应该是在有些地方强调刚性、有些地方强调强度、有些地方要吸震效果，所以必须在不同部位使用不同材料。因此，材料的结合技术也是车架厂商的一个重大课题。

下面我们就开始介绍几种不同的材料特性：

钢材：

钢材是使用在自行车上最久的车架材料，主要的优点包括长时间骑行刚性佳、管材有弹性（吸震）、管材结合方式多、加工容易、易焊接且无需热处理，因此成本也较低。缺点是重量过重、易生锈、管材难塑型且有金属疲劳的问题。但是现在许多合金技术已经在刚性、弹性系数、传动性、稳定性方面取得了不错的效果，唯一的遗憾就是重量过重依旧无法解决。
钢材中以铬钼钢最常见，其强度高且易于抽管加工。钼可提高钢的强度、防止回脆性；铬使钢更耐腐蚀和高温氧化。
很多手工钢管车拥护者最崇尚的就是其极佳的路感和适合长途骑行的优点。钢材制成的车架用在BMX、旅行车和载重车上。

Reynolds 953不锈钢：

由英国百年管材老厂Reynolds（雷诺）推出的Reynolds 953不锈钢，其原始设计是为了国防工业需求。该材料能承受强大撞击力、耐腐蚀，还不易疲劳。从它的物理特征来看，Reynolds 953与钢的差异很大，它的张力强度可达2000mpa，非常接近Toray T700碳纤维的2500mpa，几乎达到了钛合金的两倍。由于其近乎装甲钢板的超高强度，Reynolds 953管材壁厚可以薄到让人难以想像的0.3mm。

铝合金：

铝合金是目前市场上使用最普遍的材料了，其优点在于重量轻、短时间的硬度和刚性表现最佳、塑型容易、不会生锈。要轻可以把管材抽得很薄，要强可以利用CNC模具切削出夸张外形和惊人强度。缺点是几乎没有弹性可言、容易产生金属疲劳。而且因为其高刚性特征，容易传达地面的震动，造成骑行舒适感不佳。

铝合金车架90年代初开始流行，95年以后才开始普及。一般的车架多采用6061和7005铝合金材料。7005铝合金材料会有应力腐蚀和焊接热裂的问题，而6061在使用和制造上比较稳定，但是热处理比较复杂。

1．铝的金属疲劳性很差
我们可以很明显的看到，铝的可乐罐很轻易的就被捏出了口子，而钢的水果罐头则安然无恙。铝材做的自行车架的致命弱点就是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，这也就是为什么在专业的使用强度下一个铝架只能支持2-3年的原因。

2．铝没有弹性，无法吸收骑行的震动。用铝材制作的硬尾车架会把绝大多数的震动直接传递到骑手的身体上。这就使铝车架坐起来相当的颠簸，乘骑的舒适感很差。
由于铝的这两个缺陷，使得它不适合做一般的硬尾车架。但是竞赛的XC越野车架大多数使用铝合金，这是因为铝的重量可以做到很轻，而通过热处理和抽管技术也可以获得很大的强度，这就使得铝车架的竞赛性能很好（竞赛性能当然不会考虑选手的舒适程度和产品的使用寿命了）。

碳纤维：

碳纤维不是金属，是一种复合材料。它是用碳纤丝编织成布，经过预浸树脂的过程成为预浸布，再将预浸布裁剪成型后叠层并入模加热成型。可根据需要制成各种形状的车架。其特征是轻量、弹性佳（吸震佳）、骑行感觉稳定、工艺变化多。但是表面硬度不佳，当外力高于其破坏强度时，会造成断裂。又因为近年来碳纤纱需求激增，造成材料短缺，因此价格居高不下。

碳纤维拉伸强度大，但剪断强度弱，加工时要进行复杂的应力计算（纵向刚性、横向刚性），根据计算把碳纤维片重叠成型。一般提到的高模数（Hight Module，HM），指的就是高抗拉伸强度的碳纤维材料。

现在碳纤维管材的成型方式有一体成型、3D编织射出和管对管（tube to tube）方式，未来趋势将朝一体成型搭配管对管的设计发展。现在已经研发出纳米碳纤维技术，将来会舍弃一般碳纤维的epoxy环氧基树脂，改用一种胶合碳纤维织布的特殊纳米材料。据称这种材料耐冲击的性能足足比传统碳纤维材料提升40％。

钛合金：

钛合金的特性类似铝合金与碳纤维的综合，它有类似碳纤维的弹性，又有铝合金的刚性，且耐腐蚀不生锈。但缺点是材料成本昂贵，因为钛的提炼和加工过程复杂，焊接技术难度高，因此价格也居高不下。钛合金一般用于小管径的车架，且多采用3AL-2.5V或者6AL-4V的钛合金。

钛是一种新兴的金属，这种新材料具有非常优越的性能，是制作顶级车架的最好的材料之一。
1．钛合金可以制作重量很轻强度又很大的车架，从上表中可以看出，钛的强度和钢差不多，但是重量也只有钢的一半多一点，因此同样强度的钛合金车架会比钢车架轻很多。

2．钛合金具有非常好的弹性，这使得它在吸收骑行振动方面功不可没。用钛合金制作的车架具有非常良好的舒适性，而且钛是一种具有记忆性的金属，它在自己的形变范围内几乎具有无限的使用寿命，也就是说购买钛合金车架是一种一劳永逸的方法。（笑）一般来说，在专业的使用条件下，铝合金车架的使用寿命是2年，钢车架是8年，而钛车架则可以达到20年左右。

3．在正常的条件下，钛几乎不会发生腐蚀的现象。
有其利就回有其弊，钛合金也有其不可避免的缺点，目前来说最头痛的就是一个字：贵！！

镁合金：

镁合金的密度为1.7，是铝合金的2/3，钢的1/5，其轻量化优势明显。此外，镁合金也具有强度/重量比佳、耐冲击、耐磨、可回收以及吸震性佳的特征。然而镁合金属于非常活性的高危险性金属，易腐蚀且易氧化，在制造过程中若未有效控制、未先预热，容易发生燃烧爆炸。

除了重量和强度之外，镁合金优越的吸震性才是它最吸引人的地方，在5000psi下，镁的吸震效果是铝的25倍。Pinarello采用镁合金AK61和镜面处理技术制造的DogmaFP非常让人眩目。

钪合金：

钪合金事实上应称为铝钪合金，是在铝合金中加入千分之一的钪而成。钪合金的颗粒非常细，比7005铝合金小100倍，所以加工容易且不容易产生龟裂。另外，钪合金的抗拉强度可达480mpa，比7005铝合金（340mpa）强50％，且可焊接。用7005铝合金＋钪应用于车架的主体结构，可大幅提升管材的强度和刚性，且能改善焊接热裂的问题。

希望广大车友能够通过这篇文章对车架材料有一个初步的认识，在选择车架时又多一份理性。