车架材料的综合评述【转帖】

木棉花

（原文来自百度文库：2247065737）

目前，可以制造自行车车架的材料主要有以下几种：钢，铝合金，钛合金，镁合金，钪合金，碳纤维等等，一般市场上出现的车架主要有钢，铝合金，钛合金，碳纤维。钪合金和镁合金是最近的新兴材料，比较少见。

要了解这些材料的特性，就有必要知道一些基本的概念和参数

1．强度（STRENGTH）。假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生永久的变形，也就是说，当移开重物时，金属棒仍然呈现弯曲，无法完全回复原状，即所谓的降伏(yield)。使材料达到降伏的力量因材料不同而不同，这就是所谓的强度。强度和车架的耐用度相关但和骑乘品质无关。强度 (strength)由材料的降伏强度(yield strength)决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份(某些品牌型式)有相当大的关系。

2． 刚性 (STIFFNESS) 假设一根金属棒的一端固定在夹具上，另一端加上一定的重量使得这根金属棒暂时弯曲，当把那个重物移开时，金属棒立即回复原来的型状。同样的重量加诸于不同材料时，会产生不同的弯曲程度，这就是刚性。刚性影响车架的骑乘品质，因为车架最怕在正常骑乘时发生变型。刚性决定于材料的弹性系数，而相当重要的是弹性系数和金属的品质及其合金的成份无关。举例来说，所有种类的钢，基本上具有相同的弹性系数。

3．重量(WEIGHT)除了强度和刚性之外，重量也是一个议题。和刚性一样，重量受到材料合金成份的影响相当轻微。即便你的车架贴着"Lite Steel TM"(轻量化钢材)，事实上，所有的钢材几乎具有相等的重量。

以下就是我们常见的几种材料的一些特性
弹性系数(刚性) 强度 (降伏点 ) 重量(千克/立方米)
钢材 30 46---162 7800---8200
铝合金 10-11 11-59(4-22退火后) 2700—3200
钛合金 15-16.5 40-120 4500—4700

要注意，刚性和重量和材料的品质、热处理或合金成份无关。举例来说，所有的车用钢管，从大卖场的廉价单车到价值数千美元的单车都有相同的弹性系数30，以及490的重量。

白开水

学习了{:1_237:}

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铝合金的牌号代表了他们的强度，强度越高越好,但强度与工艺也有关,比如T6之后的6061-T6的强度与SS400有相同的相许应力,也就是说其硬度可能大于没有T6的7075,而且CNC的强度更大,比如SHIMANO的XTR曲柄严格来讲没有经过T6,所以即使是用了7075CNC的盘片和曲柄,还是有人说TV的比它硬......一般是牌号越大,就越硬.不过像2014 2024的是超硬铝.1,3,4系属非热处理铝,6061不能CNC,这里不谈这些.拿LZ的7005来说,7005铝是由Al-Zn-Mg-Cu合成的,密度2780KG/M3,在加工上,7005液相线温度是643C‘,固相线温度是604C‘,退火温度是345C‘400C‘ T53:挤压机淬火后,先以自然时效72h而后人工时效60-110C‘要8h 145-155C‘要16h.但是7005如果热处理不妥,会有应力腐蚀.不过LZ用7005的也很不错了.....

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铝合金的牌号代表了他们的强度，强度越高越好,但强度与工艺也有关,比如T6之后的6061-T6的强度与SS400有相同的相许应力,也就是说其硬度可能大于没有T6的7075,而且CNC的强度更大,比如SHIMANO的XTR曲柄严格来讲没有经过T6,所以即使是用了7075CNC的盘片和曲柄,还是有人说TV的比它硬......一般是牌号越大,就越硬.不过像2014 2024的是超硬铝.1,3,4系属非热处理铝,6061不能CNC,这里不谈这些.拿LZ的7005来说,7005铝是由Al-Zn-Mg-Cu合成的,密度2780KG/M3,在加工上,7005液相线温度是643C‘,固相线温度是604C‘,退火温度是345C‘400C‘ T53:挤压机淬火后,先以自然时效72h而后人工时效60-110C‘要8h 145-155C‘要16h.但是7005如果热处理不妥,会有应力腐蚀.不过LZ用7005的也很不错了.....

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1.熔铸是铝材生产的首道工序。主要过程为：
（1）配料：根据需要生产的具体合金牌号，计算出各种合金成分的添加量，合理搭配各种原材料。
（2）熔炼：将配好的原材料按工艺要求加入熔炼炉内熔化，并通过除气、除渣精炼手段将熔体内的杂渣、气体有效除去。
（3）铸造：熔炼好的铝液在一定的铸造工艺条件下，通过深井铸造系统，冷却铸造成各种规格的圆铸棒。
2、挤压：挤压是型材成形的手段。先根据型材产品断面设计、制造出模具，利用挤压机将加热好的圆铸棒从模具中挤出成形。常用的牌号6063合金，在挤压时还用一个风冷淬火过程及其后的人工时效过程，以完成热处理强化。不同牌号的可热处理强化合金，其热处理制度不同。
3、氧化：挤压好的铝合金型材，其表面耐蚀性不强，须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。其主要过程为：
（1）表面预处理：用化学或物理的方法对型材表面进行清洗，***出纯净的基体，以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光（亚光）表面。
（2）阳极氧化：经表面预处理的型材，在一定的工艺条件下，基体表面发生阳极氧化，生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层。
（3）封孔：将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭，使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的，利用封孔前氧化膜的强吸附性，在膜孔内吸附沉积一些金属盐，可使型材外表显现本色（银白色）以外的许多颜色，如：黑色、古铜色、金**及不锈钢色等。

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从98年开始，TW就在研究一款比6061和7005更好，但比钪合金更便宜的铝材料来做车架，后来就诞生了u6（6063铝合金），u6并不是6000级铝族的一个延伸，这仅是其一个代号，据说还有个别名，这种铝材的强度重量比和7005更高，但不如钪合金铝，但是材料中由于添加成分不同，所以铝材居然具有了新的特性，也就是具有了一点弹性，这种铝生产车架也不会产生类似6061和7005的死硬，用于攀爬车架的时候，后叉的这点弹性可以避免车架更容易遭受冲击的直接伤害，将冲击力度花费在轻微的金属型变上，目前国内最著名的两家攀爬车架公司深圳的echo和石家庄的speed－race，都使用u6铝合金生产其出口级铝架。另外还有些比如闪电s-work采用的特殊铝材（有人称其为u7），以及目前最新的加入了钛敲击声如陶瓷的KINESIUM合金.今年年低或者明年，还可能会出现u8合金，现在正在研制中。7075是可以焊接的但难度极大，使用4000号焊条，但是这种焊条的强度不足，只能用于焊车架过线器等部位，所以目前7075不适合规模化做车架。
7075目前TW已经开始生产，过去是美国军方的一种机密金色，用于做战斗机外壳，铝中添加了大量的锰，使得硬度非常的高，但是脆性也是非常的大，其金属具有特殊的分子方向型，这种方向性成就了这种合金的朝硬度，所以这种铝不适合用于铸造件的生产，通常是金属合成后，锻造在cnc切割，以保持其金属分子方向性。目前世界上只有几个不多的工厂可以对其进行铸造保持分子方向性，如德国的西塔公司，就能铸造生产7075龙头。U6就是6063，mega-lite6066铝合金，具有比u6更好一点的弹性，speed race出口车架在204将会使用；另外，pulo车料在展会也展出了U6pro，基本上已经是u7，明年可能会出现u8。
铝合金型材生产包括熔铸、挤压和氧化三个过程。

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金
一、分类 ：展伸材料分非热处理合金及热处理合金
1.1 非热处理合金：纯铝—1000系，铝锰系合金—3000系，铝矽系合金—4000系,铝镁系合金—5000系。
1.2 热处理合金：铝铜镁系合金—2000系，铝镁矽系合金—6000系，铝锌镁系合金—7000系。
二、合金编号：我国目前通用的是美国铝业协会〈Aluminium Association〉的编号。
举例说明如下：1070-H14(纯铝)
2017-T4(热处理合金)
3004-H32(非热处理合金)
2.1第一位数：表示主要添加合金元素。
1：纯铝
2：主要添加合金元素为铜
3：主要添加合金元素为锰或锰与镁
4：主要添加合金元素为矽
5：主要添加合金元素为镁
6：主要添加合金元素为矽与镁
7：主要添加合金元素为锌与镁
8：不属於上列合金系的新合金
2.2第二位数：表示原合金中主要添加合金元素含量或杂质成分含量经修改的合金?BR>0：表原合金
1：表原合金经第一次修改
2：表原合金经第二次修改
2.3第三及四位数：
纯铝：表示原合金
合金：表示个别合金的代号
”-〃：后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的链度符号
-Hn ：表示非热处理合金的链度符号
-Tn ：表示热处理合金的链度符号
6061和7005的技术指标相接近，7005比6061更硬，且可以抽制db不等管，山地车架极端轻量15寸可做1400多克，公路车架可做到48架高1200多克，据说经过7道延展工艺后的tb管还可以令车架再轻100到150克。

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3 铝合金车架的缺点
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。
(2).需要进行热处理
必须进行热处理，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。
4 几种车架材料的机械性能的数值比较：
（1） 密度：
用在自行车上的材料 密度（g/cm＾3）
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
自行车上最常见的铝合金型号
6000 7000 7075 7005 6061 2093 2000 6061高\低成色 原色矿石铝合金 阿伯其铝合金

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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。
(2)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。

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介绍一下不同材质的车架材料：铝合金，钪合金，钢，钛，和碳纤维
先说铝合金：

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。
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。
2 铝合金车架的优点
(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。

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不管什么钢，杨氏模量都是差不多的，200-220GPa。常说的Cr-Mo钢老美称4130，国内是30CrMoA。其屈服强度高达700- 1100MPa。因此对钢架来说，在相同的受力和强度标准下，强度越好的钢可以用更小的截面尺寸（更薄更细）的管材。常用角铁等Q235优质结构钢屈服强度仅300MPa左右，飞机起落架用的Armet100钢可达2200MPa。
铝合金的屈服强度7075基本上是最高的（T6状态下，400MPa左右），但是各种铝合金的杨氏模量也是差不太多70GPa。6000系列只有225MPa。
钛合金的杨氏模量108GPa，Ti6Al4V的屈服强度860MPa左右。
钛合金、高强度合金钢因为屈服强度、疲劳强度远高于铝合金，用于车架时，可以选更细更薄的管材就能满足车体强度要求，因此看起来更苗条，几何尺寸的减小必然使得刚性下降（截面尺寸对刚性的影响是4次方，远大于杨氏模量的影响）。钢架必然是强度高，刚性小，像个软弹簧。钛和钢的屈服强度差不多，车架管材的尺寸也可相近，但是杨氏模量小了近1倍，钛架会比钢架更软，所以才有“让压井盖成为乐趣”。
铝架则是肥胖的硬弹簧，要用更粗更厚的管材，不管什么抽管、异型截面**。在同样的强度准则下，尺寸最大，刚度最好，固有频率提升。代价就是大小颠簸全能感受到，甚至被放大。
其实与其中钢架、钛架的毒，还不如买个全避震铝架，想怎么飞就怎么飞。因为用硬尾钢架钛架飞完了，可能会使焊缝（五通、头管、后勾）开裂，到时心痛就来不及了！

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简单说一下钢架和铝架的本质区别。
无数人说钢架比铝架更能过滤细小的振动，原因在哪里呢？
每个结构都有其自身的振动特性，常用固有频率和刚度表示。如果一个结构的固有频率低，那么对高过此频率的振动基本无法响应，通俗点说就是高频小行程冲击对它没用。刚度和固有频率基本是反比关系，当然是几何尺寸结构相同的条件下。
材料力学上零件的刚度表示为抗变形的能力，其仅与零件的几何尺寸、截面形状以及材料的杨氏模量相关。
当材料变形达到0.2%时对应的应力水平称为材料的屈服强度，即继续加载材料变形不能恢复。

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一般而言，铝架比钢架要轻一些，但是钢架比铝架要吸震，更舒适一些
目前的车架重量看，钛合金虽然强度高，但受到刚度的限制以及工艺水平，重量再轻不易实现而且成本高。
要知道现在钛合金已经超过￥1000/kg，而且加工费比钢、铝高出5倍以上，所以看到便宜的钛合金车架还是去抢吧。β21s是目前强度最高的钛合金，但是工艺性极差，做车架还是别想了。
钪铝合金有很多种，加入微量稀土元素钪后，铝合金的晶粒进一步细化，强度、塑性会有很大改善。自行车上的钪铝合金推测可能是加入钪的铝锂合金，密度是铝合金80%。强度等其它尺寸和普通铝架应该差异不大，骑行感受也不会有太大差异。

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目前这种材料的毛病主要是以下两点：
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计算(纵刚性、横刚性)，根据计算把碳纤维片重叠成型。一般来讲，碳纤维抗面的冲击相当好，而抗穿刺能力就很差了。就是说你横摔竖拍不要紧，就怕的是横摔竖拍的过程中碰到一两块锋利的小石子，那可就不是拿去焊一下就可以解决的了。
2．价格昂贵，和钛合金相比，碳纤维车架的价格有过之而无不及，向顶级的碳纤维车架的价格都要上万，而科那哥的C40和C50的价格甚至超过2万元。这主要是因为碳纤维车架的制作过程需要很多的手工，并且报废率很高，造成成本的大量上升。
从外观上我们可以很容易的把这几种材料的车架区别开来。风格粗犷，造型狂野的是铝架。
管体纤细，骨感十足的是钢架。而那没有任何涂装，浑身散发着金属光泽的就是钛架。碳纤维的表面则覆盖着各种3D布的表层，极具现代感

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碳纤维作为一种高科技材料使用在自行车上是最近十**情。严格来说碳纤维并不是单纯的碳元素，而是碳元素经过编织加工后利用环氧树脂粘和加固的一种混合物。早期的碳纤维由于技术上面的原因，使用的环氧树脂甚至会在阳光下分解。随着科技的进步，这种优秀材料的种种缺点在被逐渐克服。比如德国的K车架就使用了高级的16K的碳纤维，这种碳纤维的强度甚至超过了钢材，并且拥有终身保用的质量承诺。
一般来讲，碳纤维作为自行车的材料拥有以下几个特点：
1．极轻的重量：1200克左右的碳纤维公路架已经到处可见了。由于碳的质量仅有1。6克/立方厘米，所以制作1公斤左右的车架已经不在是梦想。
2．吸收冲击性能好。碳纤维可以有效的吸收震动，并且保持很好的刚性。这种特点使得它成为很好的竞赛级的材料。
3．可以制作各种形状的车架。和一般的金属车架的制造过程不一样，碳纤维车架一般是先制作模具，然后在模具上付上碳纤片，最后用环氧树脂进行粘固。这种制作过程可以利用空气动力学作成风阻极小的车架。