WithBike.com【单车会轮文集】自行车材料知识-一、材料的常用知识

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
6061(6000系铝合金)	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
7075 (特超硬铝，飞机合金)	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
6-4Ti（6%Al－４V Ti合金）	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)。