钛合金车架与其它材料车架性能比较

钛合金车架与其它材料车架性能比较 一(钛合金特点 钛合金是航空航天产品中采用的高性能材料，具有卓越的金属材料性能，是目前国际上公认的生产各类比赛及休闲用高档自行车最先进、最理想的材料。 钛合金突出的特点是重量轻，强度高，弹性好，抗冲击、疲劳性能好，耐腐蚀永不生锈。自行车特别是赛车要求重量轻、刚度好并且冲击性能好。重量轻可以提高速度，并在长距离运动时降低体力消耗;刚度好的车架有利于驱动力的转换，并提高操纵性能;冲击吸收性好的车架可以较好地减缓来自路面的冲击，从而减轻车手的疲劳。对于制作自行车架来说，在众多的金属材料中，钛合金同时满足上述要求，因此它是十分理想地制作车架的材料。钛合金具有超强的抗腐蚀性能，具有比其它金属与非金属材料更长的寿命，我们可以向客户介绍其经久耐用，无老化、无磨损、不刮伤。作为自行车架的使用，它的表面不需要涂漆保护，因为它不会象铁和铝车架那样生锈或腐蚀，并耐酸雨、紫外线、潮湿等的侵蚀，所以你不必担心其金属表面会因裸露在空气中形成凹陷、锈蚀。用钛合金材料制作的自行车架让骑行者感觉更加安全可靠，它不会突然断裂，断裂时会从小裂纹开始，此时你便会有察觉;即使意外碰撞断裂，金属的特有韧性也会保护您不受伤害。 钛合金和很多合金金属一样，也是由钛与一些有用的金属成份组成，以满足对材料性能的要求，但其主要成份中钛占到90%以上。在航空航天技术中广泛应用的是两种合金，既Ti6AL4V(6,铝，4,钒，90,钛)和Ti3AL2.5V(3,铝，2.5,钒，94.5,钛)。Ti3AL2.5V最大的优点是屈服强度高且塑性好，并具有较好的焊接性能。由于具有良好的成形性、抗腐蚀性和延伸率，且疲劳强度高，密度低，所以符合自行车市场对材料性能的要求。Ti6AL4V是应用最为成熟、综合力学性能较好、性能数据最为齐全的钛合金材料，它具有良好的工艺塑性和超塑性，适合于各种压力加工成型，也可以采用多种方式进行焊接和机加工，但成形性、焊接性和机加工性能不如前者。 此外，钛合金也广泛地应用于医疗器械、化工设备、军工及运动器材等领域。由于加工工艺复杂，所以材料价格昂贵，这是造成产品价格较高的主要原因。 我们的钛合金车架采用Ti 3AL2.5V无缝管材的焊接技术，其管材经冷轧成形后经过严格地挑选、检验，以保证其材料的强度和质量。为了使车架的设计更加 完美并满足轻量化、几何学结构、空气动力学的要求，管材的加工采用专用的设备保证其精密的尺寸，管形被设计加工成椭圆、水滴、锥管、垂直椭圆等各种形状，再经过工艺要求很高的氩弧焊接和外表面的精细手工打磨处理。 二(与其它金属材料的比较 ,，且强度重量比比铬钼钢高28.4,。钛合金的钛合金不仅其重量仅为钢的50 疲劳极限是钢的两倍，铝合金车架在使用较长时间以后在这方面也无法与钛合金车架相比。作为应用在自行车架上的高强度和低密度的钛合金材料，它不仅会让车架重量轻、强度高而且会让车架更经久耐用。 铝合金车架性能 铝是弹性率及刚性低的材料，其比重轻但不够硬，为了增强强度把它制成合金并施予热处理。许多铝合金车架用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。一般的规模不大的工厂无能力购买热处理设备。另外通常还有7005和7075铝合金的材料用于自行车架的生产，7005合金的强度比不上7075合金。 铝本身是很容易受到腐蚀的金属，骑这种材料的自行车时，骑的次数越多，应力发生的次数也高，强度也显著引起变化。近年为了谋求轻量，许多车架使用薄料来制作(薄的程度已达到极限)，其使用寿命将受到很大影响。 铬钼钢车架性能 铬钼钢材质的自行车架是应用最早的自行车架的材料，其加工性能好、焊接容易，价格也相对便宜很多，主要用来生产低档次的自行车架。其突出的缺点是容易生锈，金属的疲劳显著(应力集中引起的金属疲劳)，由此而影响车架的强度，当金属的疲劳达到一定程度时，车架可能会发生突发破坏性断裂。 三(与碳纤维材料的比较 碳纤维车架的特征是“轻、不弯曲、冲击吸收性好”，但是，充分发挥碳纤维的优异性 能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。 碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西。非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强 度强但剪切强度弱)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点，加工时需 要进行复杂的应力计算。相对于钛合金材料，同时作为生产高档自行车架的理想材料，目前在市场发展的趋中逐渐成为了制作高档车架的主流，但客户对其材料的性能并不完全了解，我们在向客户介绍钛合金材料与碳纤维材料的对比方面，应突出碳纤维车架的以下几点问题: )碳纤维车架如果外力作用在与纤维成一定角度的方向，其强度会大大下降，(1 容易产生裂纹。 (2)碳纤维车架固化成型过程中所加入的树脂存在老化的问题，风吹日晒将会逐渐影响车架的性能 (3)碳纤维车架是以模具固化后一体成型，模具成本相当高，工厂无法满足为客户量身定制的服务。 (4)碳纤维成架成型后，如果断裂将无法再进行修复 曾有人将车架比喻为武士的刀，刀是武士的生命，而车架则是自行车的宁魂～因此，认识车架成了单车入门与购车须知的第一章。理想的车架强调重量轻、强度够、刚性佳、加工品质好以及适合骑乘者的几何角度设计，可见车架的学问不少～ 车架材质比较 你想买车吗,你知道怎么挑选适合自己的车架吗,除了依据本身需求与用途选择适合车种的车架外，不同材质的选用会影响车架的重量、刚性、强度、骑乘感受、外观以及价格。近几年碳纤车相当热门，很多人都一昧赶流行而花大钱买碳纤车，但是，强调轻量的昂贵纤维真的就是最好、最适合的车架吗,为了打破材质的迷思，大家必须先了解各种车架材质的特色及其优缺点比较。 车架材质从最早的铬钼钢、进化到铝合金、然后是复合材料的运用如碳纤维，其他还有钪合金、镁合金、钛合金等，业者不断研发新材料配方，提升管件与结构设计能力并创新加工技术，只为了让车架更轻、更强、更舒适且更流线美观。密度是决定车架重量的关键因素之一，密度愈低，车架可以做到愈轻，铬钼钢的密度为7.9，铝合金为2.6-2.9，钛4.5，钛合金4.3-5.1，碳纤维复材1.6，镁合金1.7，由此可知铬钼钢的密度最高，碳纤复材最低。然而车架除了重量外，还要考虑拉伸强度，弹性系数等，所以虽然密度低，但强度不够也不行。 一般来说，车架刚性决定于材质的弹性系数，钢的弹性系数为30，铝为10-11， 钛15-16.5，因此当管径、壁厚相同时，铝车架的刚性只有钢车架的三分之一，钛车架的刚性也只有钢车架的二分之一。车架强度则由材质的降伏强度决定，降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份都有很大的关系。铝的降 -59，钛40-120，钢46-162，相较之下铝材显得较脆弱且易损坏。在伏点仅11 实际设计上，每台车架的管材管径大小会决定车架刚性，强度与重量，管材壁厚也会影响车架强度与重量。一台最适设计的车架有些地方强调刚性、有些地方要强度、有些地方要吸震，因此必须在不同功能诉求的部位用对适合的材料，而不同材料的结合技术也是车架业者的一大考验。 钢材是使用在自行车上最久的车架材质，主要优点包括长时间骑乘的刚性佳、管材有弹性(吸震)、管材接合方式多且加工性佳、易焊接且不需要热处理，因此成本与价格相对较低。缺点则是重量过重，保养不当容易生锈，管材塑形较不易且有金属疲劳的问题。然而现今许多合金钢材已可在刚性、弹性系数、传动性、稳定性上得到很好的效果，唯一美中不足的依旧是重量较重。钢材中以铬钼钢最普遍，其强度高且易于抽管加工。钼可使钢的强度提高、防止回脆性;铬可使钢耐腐蚀、抗锈及防止高温氧化。许多手工钢管车拥护者最推荐的就是其极佳的路感与适合长途骑乘的舒适优点，诚如钢管老饕所言:「钢管恒久远，一台永流传～」适合用在BMX竟技车、长途旅行车与载重车。 Reynolds 953不锈钢是由英国百年管材老厂Reynolds(雷诺)所推出的，原始设计是为了要符合国防工业的需求，不仅要能承受强大撞击力、耐腐蚀，还要不易疲劳。从其物理特性来看，Reynolds 953与钢的差异很大，它的张力强度可达2000mpa，非常接近TorayT700碳纤维复材的2500 mpa，几乎达到钛合金的两倍。由于其超高强度与近乎装甲钢板的耐撞击力，Reynolds 953管材可以薄到像晶圆般的0.3mm。 铝合金是目前市场上使用最普遍的材质，优点在于重量轻、短时间的硬度和刚性表现最佳、塑形加工容易、不会生锈，要轻可以把管材抽得极薄，要强也可利用CNC模具切削做出夸张的外型和惊人的强度。缺点是几乎没有弹性可言、会累积金属疲劳，也由于其宁敏轻巧、高刚性的特性，因此很容易传达地面的振动，造成骑乘舒适性不佳。铝合金车架于1990年初开始流行，1995年以后才开始普及，一般车架多采用6061与7005铝合金材质。铝合金适合用在竞速、 Enduro与Downhill车款上。巨大技术中心指出，相较于AL7005会有应力腐蚀与焊接热裂的问题，AL6061在使用与制程上皆较稳定，但热处理较复杂。 碳纤维不是金属，而是一种复合材料，利用碳纤丝编织成布，经过预浸树脂的过程成为预浸布，再将预浸布裁型然后叠层并入模式加热成型，可依需求制成各种形状的车架。其特性是轻量、较具弹性(吸震佳)、骑乘感稳定、长途循迹持续感佳、舒适性高、工艺变化多，但表面硬度不佳，当施予之外力高于其破坏强度时，会造成断裂。再者，近年来由于碳纤纱需求大增，造成材料短缺，因此价格居高不下。碳纤维的拉伸强度强，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。一般常提到的高模数(Hight Module，HM)，指的是高抗拉伸强度的碳纤维材料。 目前碳纤维管材的成型方式有一体成型、3D编织射出以及所谓的管对管方式，未来趋势将朝整合一体成型搭配管对管的最适化设计发展。目前市场上已研发出奈米碳纤维技术，舍弃普遍运用于一般碳纤维的epoxy环氧基树脂，改用一种胶合碳纤维2织布的特殊奈米材，并号称可以使车架冲击的性能足足比传统碳纤维材质提升40%～一般来说碳纤维较适合运用在要求风阻较小的计时赛车上。 钛合金的特性类似铝合金与碳纤维的综合，它有类似碳纤维的弹性，也有铝合金般的轻巧与刚性，且而腐蚀不生锈、骑乘感佳，但缺点是材料成本昂贵，因为钛的提炼与加工过程复杂、焊接技术难度高，因此价格居高不下而无法普遍化，多用于小管径的车架。一般车架多采用3AL、2.5V或6AL-4V的钛合金. 镁合金的密度为1.7，是铝合金的2/3，钢的21%，其轻量化的优点十分明显。此外，镁合金材料亦具有强度/重量比佳、耐冲击、耐磨、可回收(镁可回收成为二次金属)以及吸震性佳的特性，使得骑乘更加平顺、舒适。然而镁合金属于非常活性的高危险性金属，易腐蚀且易与氧反应，在制造过程若未以有效控制，未先预热，则易有燃烧爆炸的危险。除了重量与强度之外，镁合金超优的吸震性才是它最吸引人的特质，在5000psi下，镁的吸震效果是铝的25倍～ 钪合金(Scandium)事实上应该称为铝钪合金，是在铝合金中加入千分之一的钪而成，钪合金的结晶非常细，比7005铝合金还要小100倍，因此加工容 易且不易产生龟裂;再者，钪合金的抗拉强度可达480mpa，比7005铝合金(340mpa)强50%，且可焊接。 Fuji A6中F Fuji独家在6061铝合金中添加了镁、矽、铜以及另一种特有元素所组成的新管材配方，Fuji宣称比一般铝合金的强度与韧性增加了35%，并透过物殊加工方式成型与焊接，比7005铝合金更轻、更耐用，管材特殊的分子排列能滤掉从轮组传导来的震动。 el是陇亿科技与中科院共同研发成功的超轻铝合金新材质，属Al 7000系列，需经特殊焊接方式与抗应力的热处理，el公路车车架重量不仅低于1公斤(0.97kg)，材质强度更可达510mpa以上，降伏强度(Yield Strength)达420mpa，车架只比钪合金车架重30公克，不但兼顾轻量与强度，价格更是具竞争力。