自行車知識---自行車車架材料介紹1 @ 騎不累單車

自行車的材料有已往使用的鉻鉬鋼以外、還有鋁、鈦、碳纖、鎂等不斷出現新材料。出現了不少用這些新材料製成的車架。關於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。
(此內容是一位原海外的自行車運動愛好者于2000年所寫的內容的摘要)。

材料的常用知識

　首先瞭解一下金屬材料的常用語。
應力以及變形
(1).應力的定義=σ=負荷/斷面積 (即：單位面積上所能承受的重量)
雖然負荷大，但是可以增加厚度來降低斷面積上的應力。從這裏也可知為什麼鉻鉬鋼、鋁、鈦管的厚度不同。
(2).受應力之後，用於車架的材料會變形。其變形可分為彈性變形和塑性變形。
彈性變形：雖然變形，但是除去應力後恢復原狀。
塑性變形：變形後除去應力也無法恢復原狀。
(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，承受負荷後變形也少；彈性率低的材料較軟，承受負荷後變形較多。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。資料越大彈性率越高。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弱，對自行車來說該資料是很重要的。

屈服強度、拉伸強度
　屈服強度：是彈性變形的極限，也叫屈服點。增加應力到一定程度時成為塑性變形，也就是變彎了。
拉伸強度：指的是增加應力到一定程度時不單是成為塑性變形，還被拉斷。

自行車材料的拉伸強度

用在自行車上的材料
拉伸強度(（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
G rade4 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重要因素之一。設計輕的車架時不可勿視的資料。但是密度小不等於車架輕。
　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，可以製作輕車架，假若這樣認為的話只講對了一半。還要老慮拉伸強度、彈性率等因素。雖然密度低，但是強度不夠的話也不行，密度低1/3不等於重量也輕1/3。

增強材料
　重排：所指的是在金屬結晶中會產生的移動現象(原子間存在間隙，使結晶移來移去)。發生重排現象時金屬會變形。強化材料也就是想辦法製造出不要發生重排現象的結構。在此介紹4種強化材料的方法。固溶體強化、析出強化、通過硬化加工來增強、結晶體的微細化來增強。

　固溶體強化
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晶構造。此時的原子稱為固溶體。在此舉個例來說明這種現象。比母體的原子半徑小的原子進來時發生的現象。
「在電梯裏已有9位大漢子已相當擁齊，此時進來了小孩，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來時
「在電梯裏已有9位大漢子已相當擁齊，其中有一個人下了電梯，但是又進來了肥胖的大娘，此時漢子們又開始靠向四周」。如上述現象在結晶體四周發生了應力，使得重排現象變小了。利用這個方法的是鉻鉬鋼。

　析出強化

　當前，自行車材料中的鋁合金製品普遍受到歡迎。增強鋁的方法將在鋁項目中記述，在此只講強化的原理。固溶在金屬中的添加物，會產生飽和狀態(不完全溶解)，添加的量超過飽和狀態時，因未能完全溶解而析出。
具體地說，提高溫度時飽和量也增加，完全溶解的瞬間開始慢慢冷卻時，能析出大的結晶。用食鹽來做實驗會看到這個現象，食鹽的場合，急速冷卻時析出細小的鹽結晶，但是金屬一般不會析出，若冷卻速度快時，不會析出而強迫使它固溶。
對處於此狀態下的金屬，逐漸提高它的溫度時慢慢析出。在此需要注意的是過於析出不可，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(也稱作人工時效處理)。最理想的是析出的結晶細而均一，從而阻止重排，材料不容易變形。舉個例子：「走在森林裏，若大樹較多時容易走路(大的析出物)，密密麻麻小樹多的話不容易走(細小的析出物)」，和這個道理一樣細小的析出物較難重排。

　硬度加工來增強的方法
對材料進行加工就產生重排現象，也就產生材料的變形。各種材料的重排現象是極為複雜，不在此記述，簡單地說：重排後不是整齊地排隊，而複雜地齧在一起的話，材料的變形就困難了。如馬路上走路時，走路的人不斷增加(重排的增殖)，就難於前進(重排移動變得困難，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)。

　結晶體的微細化來增強
結晶在高溫下完全溶解後，急冷時得到微細的組織。這個過程叫作淬火。結晶變微細後，重排移動的連續性就難於保持，結果材料得到了增強。(比方：人能活動的範圍變小了)。
　

鉻鉬鋼（Fe-Cr-Mo）
　在自行車的100年歷史當中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。鐵制車架的最大特徵是可在各種成份，各種粗細厚薄的鐵管中，任意選擇所需要的鐵管進行加快。因此可以選擇最適合於的尺寸、剛性、騎感的車架，這對於數毫米的差異也敏感的老車手來說是很有好處的。它的最大的缺點是比起其他的素材重(過去)。但是最近的鐵素材車架經過熱處理，把薄的管道做成粗的管來使用，其重量不會輸給輕的合金。
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，加工後美觀。
○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"，價格約(左)6,700多元，(右)5,000多元。
●鉻鉬鋼車架的優點
(1).加工性好
鉻鉬鋼的車架是歷史最久的車架，因此對它的研究時間也最長。現在能做到車架所需強度的極薄的管道。
(2).衝擊的吸收性能好
騎感極好，如「像彈簧般的騎感」。構成車架的鉻鉬鋼管道有優異的吸收衝擊的性能。
(3).焊接容易
鉻鉬鋼比起鈦、鋁焊接容易。可以設計成名種形狀。另外，焊接後也不需要熱處理，因此不需要大型的熱處理設備，成本低。
(4).價格便宜
雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架價格貴，但一般價格便宜。也可以說，用便宜的價格買到高擋次的車架。
●鉻鉬鋼車架的缺點
(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，有傷口時容易生銹。但是一般都有進行防銹加工。自行車的場合，管道的肉壓薄，生銹後的影響將會非常大。生銹→肉壓減少→強度下降(應力集中)。
(2).金屬的疲勞顯著(應力集中引起的金屬疲勞)
若使用肉薄的鉻鉬鋼車架時需要注意！當然金屬疲勞這個現象任何金屬都會產生包括鋁等在內。金屬疲勞現象簡單地說：金屬雖然具有防止塑性變形的小小的力量，但是反復施加應力時，金屬可能被破壞(被稱為微細的應力集中)。飛機出事時，有時候也是某部分的金屬疲勞引起。對自行車來說，由於金屬疲勞的原故，可能出現強度不能保持。例如，進行DH時產生的衝擊縮短了自行車的壽命。若感覺到踩踏時不那麼順利前進時很有可能是金屬已發生疲勞。
焊接部位，如從管道側(母體)到溶融的部位(溶接部)，結晶的特性都會顯著變化。為使這些組織均一化，本來應該再次結晶化(詳細內容後述)。但是車架加工廠不一定有這種大型爐，另一方面，這種加工使已經冷卻過的再次硬化，使得變增強的管道的強度降低。
由於存在上述原因，焊接時採用各種方法來加工。如利用低溫焊接等方法製造車架。不管是任何優秀的焊接，，焊接部位( 1000°C以上)和另管道側(室溫)之間的溫度差，冷卻時收縮而發生殘留應力。該部位受到應力集中時，可能會產生裂縫。結果自行車騎的時間長時可能會引起金屬疲勞，微觀的硬化加工也使衝擊的吸收性也變得差。