認識腳踏車材料

腳踏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，但是不是專門介紹腳踏車的材料，在此簡單介紹腳踏車的材料，供車友們參考。

（此內容是一位海外的腳踏車運動愛好者於2000年所寫的內容的摘要）。

材料的常用知識

首先了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。從這裡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。作為腳踏車的材料，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。下表為腳踏車的各種材料的楊氏彈性模量。

楊氏彈性模量

用在腳踏車上的材料

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，對腳踏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。

腳踏車材料的拉伸強度

用在腳踏車上的材料

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

Grade4 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。

用在腳踏車上的材料

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制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、透過硬化加工來增強、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。

「在電梯裡已有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

「在電梯裡已有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，腳踏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專案中記述，在此只講強化的原理。固溶在金屬中的新增物，會產生飽和狀態（不完全溶解），新增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：「走在森林裡，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）

在腳踏車的100年曆史當中，鐵素材是剛性與重量方面都均衡的理想素材。鐵製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它的素材重（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。它的效能如下：

○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）。衝擊的吸收效能好

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效能。

（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裝置，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）。容易生鏽

車架用的鉻鉬鋼含有鉻，但是新增量少（不鏽鋼含有12%的鉻）的鐵系合金。若沒有施有表面處理的話，有傷口時容易生鏽。但是一般都有進行防鏽加工。腳踏車的場合，管道的肉壓薄，生鏽後的影響將會非常大。生鏽→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，但是反覆施加應力時，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。對腳踏車來說，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腳踏車的壽命。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制造車架。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。結果腳踏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。

鋁合金

（Al-Mg-Si，Al-Zn-Mg-（Cu））

很久以前就有用鋁合金製作的車架。輕而價格低是它的優點。但是從「輕」來說，當前與鐵素材比較相差並不大。老車手對它的反應是「雖輕但易彎曲 」。雖然經過多次改進，但是始終克服不了楊氏彈性模量低的缺點。最近的鋁合金車架，為了提高楊氏彈性模量，加大管道外徑，使用扁平管，或者對鋁管進行熱處理等，製造出輕而有剛性的車架，這種最新的鋁合金車架對車手來說，具有足夠的輕量與剛性。

鋁合金是純鋁中加入Mg，Zn，Si，Cu等金屬的合金。鋁本身具有輕量、可塑性好、耐腐蝕等優點，加入其他金屬後顯著提高了機械效能。腳踏車所使用的鋁合金多數為6000系（Al-Mg-Si）和7000系（Al-Zn-Mg-Cu）兩種，經過熱處理（鋁耐高溫，在高溫下能改變性質）可以製成名種各樣的材料。

6000系被認為是耐腐蝕、強度好、焊接性也好的材料。下表表示使用最多的6061合金的機械強度。

7000系是鋁合金中最強的材料。尤其是7075是特超硬鋁（製造飛機的材料），但是它的焊接難度大，耐腐蝕性差（會發白）等。下表表示使用最多的7005和7075合金的機械特性。表中的有關熱處理以如下數字來表示：

-0：完全退火

-T5：人工時效（無溶體化處理）

-T6：溶體化處理後人工時效

-T7：溶體化處理後穩定化處理

-T8：溶體化、硬化加工、人工時效

（右圖）i-DRIVE車隊用在XC比賽時的鋁製輕量型車架，價格約2萬元。

6061合金的機械特

性

熱處理

伸長強度 （MPa）

耐力

（MPa）

伸長

（%）

剪斷強度（MPa）

布氏硬度

疲勞強度（MPa）

T5

190

148

12

119

60

67

T6

246

218

12

155

73

67

T83

260

246

11

155

82

-

7005，7075合金的機械特性

合金名稱

熱處理

伸長強度（MPa）

耐力

（MPa）

疲勞強度（MPa）

伸長

（%）

E

（GPa）

7005

T53

345

305

130

（7003）

10

74

（7003）

7075

0

230

107

163

17

74

T6，T651

597

526

163

11

74

●鋁合金車架的優點

（1）。可以製作重量輕的車架

鋁的比重輕但不夠硬，為了增強強度把它製成合金並施予熱處理。熱處理採用時效析出增強法，簡單地說，在金屬內形成一種妨礙金屬變形的物質。在某種高溫下進行熱處理時，會引起時效析出，若沒有經過這個程式的車架，也會引起常溫時效。就是說把車架放置在房間內也會逐漸變強。

許多鋁合金制車架用6061T6材料來製造。T6標誌表示經過熱處理、時效。若沒有熱處理的話強度只能達到1/2，或者1/5的程度。

有7075標誌的腳踏車零件（如XTR曲柄等），嚴格來講沒有經過熱處理。也就是說因沒有時效，因此是常溫時效。7075合金本來就必要進行熱處理，透過熱處理其強度可以增加5倍。

另外，7005合金也常用來製造車架，它的強度比不上7075，但是它在常溫下也能夠進行足夠的時效的材料。這種材料也可用Padded加工製成薄料。但是材料本身的強度及楊氏彈性模量低，因此加粗管道直徑來提高剛性。通常被稱作鋁製粗管道的是這種型別。

（2）長時間使用外觀不怎麼變化鋁本身是很容易受腐蝕的金屬，在空氣中幾乎不存在沒有被氧化的鋁，放置在空氣中馬上被氧化而形成很薄的氧化膜。為什麼不生鏽呢？原因是該氧化膜達到一定的程度時防止繼續生鏽。該氧化膜幾乎是無色因此外觀上不容易發現變化（有時會發白）。

另一方面，騎這種材料製造的腳踏車時，騎的次數越多，應力發生的次數也高，強度也顯著引起變化。近來為了謀求輕量，許多車架使用薄料來製作（薄的程度已達到極限）。這些都是使用沒有疲勞極限的鋁合金來製作車架，到底長時間使用後強度變化將是如何呢！Dedacciai公司製作的SC61-10A等是表面施有噴丸硬化加工（KET處理）的管道，這種加工的目的是延長疲勞的壽命。根據公開的資料，能提高140%。，KET處理是：疲勞破壞是在金屬表面上所發生的裂縫為起因，因此用硬化加工技術來提高金屬表面的硬度。

●鋁合金車架的缺點

1）。鋁是彈性率及剛性低的材料。因此採用粗的管道，或者改變形狀如cross-over管、padded管等。

（2）。需要進行熱處理

必需進行熱處理，否則強度不夠。因此一般的規模不大的工廠無能力購買熱處理裝置。尤其是6000系的鋁合金管，多數情況是管道廠家指定熱處理條件。

鈦、鈦合金（Ti，Ti-Al-V）

［tr］

［td=1，1，671］

美國在60年代首次使用鈦合金來製作腳踏車車架。鈦合金給人的印象是「輕而硬」。早期的鈦合金車架，作為比賽用車，剛性不足，其車架不適合於長距離賽車，也不是適用於所有的比賽，只適合用在山嶽，或者Big reces， Time traial等需要輕型車的特定的場合。開始時鈦合金使一些人著迷，曾經有些熱中於輕量化的騎手，把所有的螺絲都換成鈦合金制的才滿意。鈦金屬給一些人錯覺，貴而稀有，實際上鈦是地球上埋藏量豐富的元素之一。只是由於合金的製作成本高，價格才較貴。

金屬鈦比重輕、強度大，同時耐腐蝕性高的材料，一般用在特殊的環境裡。在金屬鈦裡新增鋁、釩（Li。V）時強度顯著提高，熱處理也和鋁合金一樣透過時效處理可以提高強度。

鈦合金的機械效能

合金名稱

區分

拉伸強度（MPa）

耐力（MPa）

伸長（%）

E（GPa）

純鈦

JIS 3種

480~620

345

18

105

Grade 4

550

480

15

PTT800

800

―

―

UTT75

750

―

―

3-2。5Ti

退火

685

590

20

―

6-4Ti

退火

980

920

14

110

時效處理

1160

1100

10

●鈦合金車架的優點

（1）。可以製作輕量而強度大的車架

純鈦金屬的強度更高。在鈦金屬中新增鋁和釩，彈性更高（和鋁比較），也有利於設計。

（2）。不生鏽：鈦在一般的環境下幾乎不會被腐蝕。但是它有另一種腐蝕現象即異種金屬腐蝕。例如，不同種類的合金接合在一起時，成為電極狀態，電位差使區域性通電引起腐蝕。對此現象採取的措施是用脂膏等來絕緣（混有金屬粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等）。這種金屬粉末防止脂膏流失，即使流失後也用來防止緊密接觸。這種金屬粉末有導電性也不要緊，接觸後被較小的荷重破壞掉。這種現象稱為「粘住」，它和「烘焙」是不同的。

「粘住、咬合」：金屬之間透過腐蝕來接合的現象。

「烘焙接合」：加工金屬時所產生的熱量來溶融接合。

（3）。騎感好

鈦也用在避震器的彈簧上。現在用鈦製成的車架適合於長時間的騎行。有些車手酷愛鈦制車架，認為騎感極佳。但是個人各異，有人和鉻鉬鋼比較後認為，鉻鉬鋼的車架衝擊吸收性比鈦車架好，騎感也比鈦車架好（這和鉻鉬鋼車架的形狀以及用薄的管的結果應力得到增大也有關）。假若鈦管的加工技術得到進一步改進，也許會有和鉻鉬鋼同樣的騎感。

有些鈦制車架使人感到搖擺，這也許是使用plane管（沒有加padded的，厚薄不能變化的管）有關。或者雖使用高強度的鈦合金，但沒有用薄的管等也有關係。

●鈦合金車架的缺點

價格高。鈦在自然界以二氧化鈦的形態存在，提練及加工過程複雜，技術要求高，並花時間因此成本高。再有溶接加工極為困難，因為鈦和氧的親和力極強，和空氣接觸後馬上變成二氧化鈦，而二氧化鈦硬而脆，該部分的強度會不斷下降。因此用惰性氣體小心焊接。通常所說的Tig焊接是：（Tig：鎢、惰性氣體的略語）用鎢電極及氬氣體進行弧焊接。鈦的焊接必需隔絕空氣下進行。由於以上原因鈦車架價格很貴。

近來有些鋁合金車架比鈦合金車架價格貴，這說明鈦合金車架的價格下降了。其因是冷戰結束後軍費縮小，鈦的用量少了；優秀的技術員開始用鈦來製作車架；製作鈦車架的成本降低等原因。

碳纖維

（CERP）

碳纖維車架的特徵是「輕、不彎曲、衝擊吸收性好」，但是，充分發揮碳纖維的優異效能，在技術上看起來不是那麼容易，各碳纖維材料廠家之間的品質差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題，不大可能使用高等級的碳纖維來製作車架。雖然存在上述的現實問題，但是碳纖維車架還是具有其它素材所沒有的優點，可以製造8、9kg左右的輕量腳踏車，這種碳纖維輕量腳踏車，登坡時最能體現其優點，登坡順利而爽快。而不會像一些輕的鋁合金車架，登坡時感到有一種向後拉的力量。

碳纖維是把碳纖維用樹脂凝固成形的東西。非常輕，但它是具有方向性的材料（拉伸強但容易斷），因此採用把薄料層層重疊的方法來解決缺點。

（右圖）COLNAGO牌的碳纖維車架，2萬多元）

●碳纖維車架的優點

（

1）。可以製作重量輕的車架

碳纖維車架是把碳纖維對著發生應力的方向層層疊而得到強度。碳纖維車架非常輕，這是它的密度和強的拉伸強度構成的。

捷安特的碳纖維車架非常輕，2000年的型號1。2kg重

（2）。衝擊吸收性好

碳纖維用來製作殘疾者運動時用的假腿，或者特殊的彈簧等被用在各領域。利用它的吸收衝擊力優異的效能，製作不用避震器的腳踏車。如SCOTT廠的ELEVATED車架是著名的。但是各個廠家之間的品質差異較大，有的很硬，因此這種車架乘騎後才能知道好或者不好。

（3）。可以製造各種形狀的車架

碳纖維的基本成型方法是，在模具上鋪上纖維片然後流入樹脂並燒固。可以製成各種形狀的車架。如TREK的Y車架是著名的。

●碳纖維車架的缺點

（1）。複雜的應力計算

構成碳纖維車架的是碳纖維，它的特點是拉伸強度強，但剪斷強度弱，加工時需要進行復雜的應力計算（縱剛性、橫剛性），根據計算把碳纖維片重疊成型。加工技術各廠家各異，應選擇有經驗而可靠廠家的製品是很重要的。

（2）。難於更改尺寸

由於作好模具後成型，難於更改尺寸。無法相應多尺寸多款式的訂單。

（3）。老化？

使用樹脂因此會不會老化？這是一個存在的課題，它放置在陽光下時會逐漸變白。當然這種現象關係到廠家的技術。最好不要放置在陽光下。

金屬為基體的混合物（M2，MMC）

金屬為基體的混合物是在鋁素材中混入陶瓷粉末或者纖維等物體，使它析出增強，製造出強度大的材料。它的強度比鋁合金強許多，是一個新的素材。有的混入氧化鋁粉末。M4指的是再多加入兩種合金，用這種材料製成的車架衝擊吸收性更好。

●

金屬為基體的混合物車架的優點

（1）。可以製作重量輕的車架

它和鋁合金比較，拉伸強度大，極薄的管也能保持強度，因此車架很輕。這種輕是有剛性的輕。

（2）。剛性高

如SPECIALIZD的M2車架使人感到很結實，管的直徑也大，剛性也好。

●金屬為基體的混合物車架的缺點

（1）。焊接

關於這方面的資料很少，看實物焊珠部分正常，但是GUSSET就年年大型化。補強的目的是什麼？尚未清楚。陶瓷粉末在鋁母體中均衡地存在，進行焊接時陶瓷粉末能否均衡分散是個非常困難的事，能獲得何等程度的機械強度是大家所關心的事，總之，由GUSSET補強已達到相當的水平。

（2）。衝擊吸收性差

關於這一點很多人有同樣的感覺，前部有避震器因此個人的感覺會有差異，但是後部非常明顯，衝擊力太大，會腰痛的。該材料的車架不適合於長途騎行。但是在時間短的比賽中能發揮威力。

鎂合金

鎂的比重很輕（1。74），約鐵的1/5，鈦的2/5，鋁的2/3。它是不容易腐蝕的活性金屬。它廣泛用在各種領域裡，如照相器及電腦的外框、車輛的車圈等配件。透過合金化耐腐蝕性也得到進一步提高。

●鎂合金車架的優點

（1）。可以製造重量輕的車架

它比鋁密度低，可以製造輕的車架。楊氏彈性模量稍微低些，但是可以用加粗管直徑及橢園化等方法來解決。使用鋁合金的目的僅僅是為了減輕重量，將來可能會被鎂合金取代？？鈦和鎂的研究課題稍不同，這兩種金屬今後仍然會活躍下去。

（2）。加工性好

鎂制車架加工不會差。切粉的燃燒、爆炸等能夠透過合金元素來回避的話，剪斷、溶接性可能不會差。和鈦比較起來加工性好。

●鎂合金車架的缺點

（1）。耐腐蝕性如何？

生產鎂車架的廠商都說耐腐蝕性好。但是這方面的資料當前還很少，耐腐蝕性好到何種程度難於判斷。鎂是劇烈氧化的金屬，不小心操作錯了很容易爆炸，純鎂一般不能使用，新增其他金屬（鋁、鋅、錳等）製成合金來使用，製成的鎂合金強度、機械效能都得到提高。有些人曾經使用過鎂合金制用具，如摩托車的曲柄套等、他們說：「雖然用了很久，但是很好，不會象鋁般發白。

（2）。鎂的楊氏彈性模量（決定剛性的因素）比鋁低許多，要增加其剛性管的直徑要大，這可能會影響對空氣的阻抗？。

（3）。成本如何？鎂已經用在膝上型電腦的框體上，用它來製作車架成本將是如何？現在尚未知。

鍛造和鑄造

［tr］

［td=1，1，671］

製造腳踏車的部件要經過鍛造、鑄造、切削、研磨等加工過程，在此簡單介紹鍛造和鑄造。

鍛造

：

鍛造是把棒狀、板狀等的鐵錠加熱，然後用錘子打，或者用油壓等加壓成形。用這個方法加工的比起鑄造在拉伸強度、粘性強等方面好許多，可以製成非常好的製品。強度大而薄，材料的浪費也少。是一個很好的加工方法。如劍是用這種方法加工的。缺點是價格貴，不適合於大量生產，加工複雜形狀的困難等。

鑄造：

鑄造是把金屬溶融後注入模具中冷卻成形。它的優點是可以製造複雜形狀的物體，適合於大量生產，價格便宜。如壓鑄加工可以製造強而複雜形狀的製品（照相器的機體、鋁製車圈等等。但是強度遠遠比不上鍛造。不能進入模具部分的材料浪費（當然這些材料以迴圈使用）。

鍛造

鑄造

單件的成本

高

便宜

強度

比較強

比較弱

用在腳踏車上的製品

高階曲柄

廉價配件

材料和環境

何謂腐蝕

：腐蝕是金屬和環境之間科學地相作用的結果改變了金屬的性質，金屬與環境，或者構成它們的一部分實用體系機能受到了損傷。簡單地說金屬表面變質了。對腳踏車來說金屬表面受損傷時會引起生鏽，其中鉻鉬鋼車架最為明顯。腐蝕腳踏車的最大原因是下雨，尤其是酸雨的腐蝕性最勵害。

鉻鉬鋼和環境的關係

塗漆加工粗糙以及沒有防鏽加工的車架，鉻鉬鋼管表面和塗漆之間開始腐蝕，塗漆部分彭脹起來，或者區域性受到腐蝕。若發現腳踏車受傷，建議把受傷部位擦乾淨並用錘刀搞平傷口，防鏽加工後塗漆。總之傷口是腐蝕的最大原因。

另外，發生應力多的部位也容易生鏽，如焊接周圍，彎曲部位等。廉價的腳踏車，焊接後沒有熱處理（消除應力退火）就出貨，這種腳踏車若發生生鏽，區域性或整體不斷地腐蝕下去。

鋁和環境的關係

鋁從外觀上看起來是相當耐腐蝕的材料。尤其是經過鋁表面鈍化處理的強度更大。這種處理是除了美化表面外，在鋁的表面形成的多孔質地Υ-A1203（氧化鋁），用滾水或蒸氣處理，封住其孔（如禧碼諾XT。XTR）。氧化鋁非常耐腐蝕，不被一般的酸溶解（如鹽酸、硝酸等），只能溶在氟酸等強酸。它也使用在研磨劑裡，不可見它的耐腐蝕性極強。

碳纖維和環境的關係

碳纖維含有樹脂因此也可以說耐酸。但是對碳纖維來說應多考慮內在因素，它用樹脂因此樹脂老化的可能性是存在的。碳纖維制腳踏車不使用時應該避開陽光，日光和環境的溫度對它的影響最大。

鈦和環境的關係

耐腐蝕性極佳（被使用在和原子能有關的部門），不怕雨水、不怕受傷、沾上水滴也不用抹乾淨。用這種材料製作腳踏車實在浪費？？但是鈦也有缺點如前述（異種金屬腐蝕），如鋁製配件和鈦制配件接合在一起時逐漸被腐蝕掉。

除了鈦之外，其他金屬之間也會發生異種金屬腐蝕，尤其是坐管部位，例如，把鋁製坐管和鉻鉬鋼車架接合在一起而不管它時，接觸面變成褐色，甚至於無法把它們解脫下來。

金屬的疲勞度

腳踏車和疲勞

製作腳踏車車架的材料有鉻鉬鋼、鋁、鈦、碳纖等。其中用最薄的管來製作的是鉻鉬鋼車架。它的加工性好，材料便宜，騎感好，但它必需製成薄壁管，這種薄壁的管會有較高的拉伸強度和加工性。

鉻鉬鋼的強度較容易逐漸減弱，也就是較容易疲勞的現象表現在如下。

（1）。同樣的衝擊力加在各種材料上，鉻鉬鋼薄管所發生的應力最大（容易發生疲勞而引起的破壞）。

（2）。對鉻鉬鋼的研究的歷史較長，最大限制地利用它的特性製成極薄壁的管，應力雖然發生的各個區域性部位，但是對整個管來說會發生較高的應力。

（3）。由生鏽引起的全面腐蝕將會引起管壁的變化，結果這個現象又提高了應力，引起疲勞破壞。

（4）。應力集中在區域性而生鏽、或者外傷引起的凹處，從該處引起疲勞破壞。

（5）。參加比賽時產生的衝擊，使車架發生較高的應力，使用的次數越多，疲勞破壞也逐漸增多。

以上主要是針對鉻鉬鋼，但是近來鋁合金制的車架發展迅速，有許多用薄壁的鋁管制作的車架，它們是否上述的鉻鉬鋼製車架一樣，發生疲勞破壞呢？尤其是鋁沒有耐疲勞限度，很小的應力也必定會產生破壞。其應力越大破壞所需時間越短。現在所出售的極薄壁管的鋁製車架，廠家都未明確註明其壽命。

焊接和疲勞

［tr］

［td=1，1，671］

鉻鉬鋼車架的焊接使用銀焊料的焊片焊接較多。鉻鉬鋼管是在再結晶溫度下焊接，因此管的強度不會降低，也不會變質。但是所使用焊片加重了管的重量。

鈦管是使用前述的Tig溶接，焊接時所使用的不活性氣體的水蒸氣、或者不純物體在溶接時混入的可能性是存在的，這些事可能將成為引起疲勞破壞的原因。溶接不良使得應力集中在溶接部位，也會引起疲勞破壞。

剛性

曾經多次提過決定剛性的重要因素是楊氏彈性模量，但是管的外徑也會影響剛性。

最大剪斷應力

車手騎在腳踏車上面時，複雜的應力加在車架上面。尤其是轉向握把，或者站立騎行而使車子搖擺時，假若車子的剛性不足時，騎起來很不舒服的。車架的剛性夠不夠往往是在這種場合被議論。在此著重講一講複雜的應力中，在管道上施於扭等動作時的轉矩的情況。在轉矩存在的狀下，最大剪斷應力發生在管的外周，它的公式加下。

在此τmax是最大剪斷應力，M是給管道的外來荷重，Do是外徑，Di是內徑。所發生的最大剪斷應力由外來的荷重和管的外徑、內徑所決定。從這個公式可以設想：材料本身固有的資料之外，改變外徑、內徑來得到所能承受的最大荷重。

下述公式表示管道所能承受的外來荷重。

剛性比、重量比

在此簡單說明加倍外徑、內徑時的剛性及重量的變化。重量比的計算結果為4倍。2φ表示外徑、內徑為2倍。

剛性比的計算結果如下所述8倍。

從上述計算結果可知，改變外徑時重量加大到4倍，強度增加到8倍，效果還是很大的。利用這種方法也有限度的，外徑過於大時對於外來的壓力會增加面法線的壓力成分，如金屬表面容易凹進去（象啤酒的罐般）。

車架的壽命

車架強度的探索

車友們，希望你的腳踏車能用多久？除非有經濟條件許可者追求新款式腳踏車之外，一般都希望能使用越久越好。在此主要記述影響車架強度的金屬疲勞問題。

在前面已講過腳踏車的金屬疲勞是不可避免的現象。具體地說：影響最大的是，加在管上的應力、管的材料、疲勞極限。

設計腳踏車管道時，增加應力的話，不得不增加管壁的厚度。疲勞極限高而薄管壁的加工方法，目前主要採用Padded加工方法，這種方法是：發生集中應力的部位如接合部位，按理應增加該部位的厚度，但是不增加厚度，代替它的方法是，減少應力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此舉幾個薄壁管道的例子。

高階鉻鉬鋼管：

中央部位的管壁厚度為0。5mm。Dedacciai公司的最高階鉻鉬鋼管的管壁厚度為0。4mm。

鋁製車架

：Dedacciai公司的最高階鋁管SC61-10A的管壁中央的厚度為0。8mm。最便宜的鋁製車架的管道的厚度為1。8~1。3mm，可見Dedacciai公司的最高階鋁管的厚度多麼薄！這種薄的管使人感到強度行不行呀！

鈦制車架：

關於鈦制車架有Panasonic的0。6mm厚度。另外，在鈦制車架方面最著名的美國Litespeed公司，該公司的廣告用語是：我們的鈦合金的疲勞壽命可達到鋁、鐵的5倍。

作為腳踏車運動愛好者來說，能夠騎上把管壁加工至極限的薄而輕的車子是可以接受的，但是乘騎的次數越多，強度越下降，年年要換新的車子的話，薄料的車子有什麼用呢，當然專業選手就不同了，他們有練習用車及比賽用車。是否能夠維持效能特性的車架應成為選擇車架的條件？

車架的外觀

容易生鏽的腳踏車讓人討厭，雖然小心愛護腳踏車，但是總是會生鏽，愛護車的人看到這種現象很心痛的。因此人們尋找不會生鏽的腳踏車如鋁或鈦制腳踏車

。

筆者心目中的理想的腳踏車

［tr］

［td=1，1，671］

●

材料的選擇

已經介紹了幾種腳踏車材料，總地來說，騎感好的是鉻鉬鋼製的、要輕的是鋁製的，衝擊吸收性最好的是碳纖。鈦合金制的上述各種效能都不是最好的，但是為什麼對它感興趣呢？因為它是有前途的金屬。

●鉻鉬鋼已經使用了很久，對它的研究也最多，除非有什麼突破，鉻鉬鋼的前途可想而知的了。使用適正厚度的管道時重量是會增加，但是不容易引起金屬疲勞，這種車能帶給車手極佳的騎感。有些腳踏車競技必需用鉻鉬鋼製的車子，因為它很結實，容易操作。這種車子才是鉻鉬鋼本來的面貌。有些薄壁的鉻鉬鋼車子，金屬表面很容易凹進去，那種車子是不行的。單純地追求薄壁的管道的現在，鉻鉬鋼應該走自己的道路，充分發揮其優勢，否則很可能被其他材料淘汰。

●腳踏車用鋁管，當前的設計方針很危險，鋁是沒有疲勞極限，為了降低應力應該增加厚度。但是為了單純地謀求薄壁，使用強勒的新合金來製作車架。從外觀來看這些製品使人引起很不錯的錯覺，但是疲勞壽命將是如何呢？鋁管的薄壁程度已經到了極限，不可能再薄下去。結果它的命運將和鉻鉬鋼一樣。進一步來說，騎車摔倒時，因它塑性變形量少，破斷時很可能發生一口氣的脆性破壞。今後鋁製腳踏車向那一個方向發展呢？我認為可能會成為比賽專用腳踏車的素材。若用鋁製腳踏車來練習，一定會感覺到效能的降低顯著。

●碳纖維制腳踏車是有前途的，透過應力計算會找到最適合的加工條件。另外是信心問題，假若廠家應該提供可信賴的割裂、耐用等資料時，需要量會增加。當前尚存在各種問題。

●鈦管還有發展的餘地，強度可能會超過鉻鉬鋼，現在已能製造1。5kg的車架，將來一定會出現1kg的車架，鈦必定會奪去鋁的“輕量王”的寶座。另外，鈦不需要塗漆，可減少這部分的重量（20~40g）。將來最理想的是鈦制腳踏車？這只是紙上談兵，和車友們一起探討。筆者所選擇的鈦合金是下述的β合金Ti-15Mo-5Zr-3Al （在TI中新增15%的Mo，5%的Zr，3%Al）。

其他材料如鎂、不鏽鋼等不在此記述。這些材料也許將來會有新的突破也說不定。

在此例出各素材的拉伸強度，從下表可知筆者所選的鈦合金是多麼優秀。

合金名稱

拉伸強度（MPa）

伸長（%）

PTT800（純Ti）

800（通常純Ti為550）

＞18

Ti-3Al-2。5V

685

＞20

Ti-6Al-4V

1160

10

SCM415

＞830

＞16

Ti-15Mo-5Zr-3Al

1470

14

筆者所挑選的車架的構造

車架的構造正統的鑽石型（有前三角的車架）的最適宜。因為這種正統款式下訂單時可變性大。其他款式的無法解決各種樣求。chine stay和seat stay不採用碳纖的混合體。我最關心的是接合部位，該部位長期使用時其強度如何變下去，因為我要求腳踏車的壽命要長。

下管選擇Panasonic的cobura管，中心厚度要求0。45mm，接合部位1。2mm。上管用double badded，向橫方向壓採取縱oval。坐管採用high seat30mm，seat徑26。8mm，因為筆者已有的pillar為27。mm和26。8mm。車頭是過大形的車把立。seat stay要S形彎曲，由此吸收衝擊性。chine stay增加厚度，採用肉厚的薄管。

TAG: 車架鉻鉬強度腳踏車應力