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 
 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(MPaN/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%Al2.5V 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/cm3 
鉻鉬鋼(低合金鋼) 7.9 
鋁合金 2.6-2.9 
 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()6,700多元,()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。

 

文章轉載自 天下一家鐵馬家族

http://tw.myblog.yahoo.com/jw!N0.58VqLEwM86GZi5QZM/article?mid=158&prev=159&l=f&fid=19

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