车之灵魂——几种自行车车架的材料对比(图文)
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　　车架是整个自行车的灵魂，这种说法一点都不过分。什么影响着车子的操纵性，又是什么决定着车子的耐用性，又是什么决定着车子的骑乘舒适感?现在自行车的零配件生产技术提高，但是要使这些零件发挥他们强大的战斗力，就必须奠定一个良好的基础——车架。　　　关于车架人们谈论最多的无非强度、刚性、重量……　　强度 假设挂在金属棒另一端的重量，重到足以使金属棒产生的变形，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。　　如此复杂而抽象的说法是在令人头疼，其实强度说白了，最重要的就是和车架的耐用度。强度由材料的降伏强度决定。降伏强度和车架管材的品质、热处理制程及合金成份有相当大的关系。　　刚性 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。　　重量 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。　　重量可能是车友最关注的参数之一。在不断追求轻量化的过程中，对于重量的要求越来越苛刻。　　应力 应力=负荷/断面积。即单位面积上所能承受的重量。　　其实以上提到的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8200千克/立方米的属性。　　以下就是我们常见的几种材料的部分特性　　很多车友坐到一起常常会以材料论英雄。但是实际决定一个车架好坏，除了材料本身的属性，还与设计、制作有直接的关系。其实从上表中也可以看出，用这几种材料做车架，在管材的形状和厚度相同的情况下，铝制车架的刚性只有钢制车架的三分之一，钛制车架也只有钢制车架的二分之一的钢性，理想状态下，且制作标准一致，钢架是最结实的。但是实际情况是，在整个行业中不可能有人会按照如此的标准这样做车架，所以这个结论也就是不客观的了。因此仅是从材料上就判断一个车架的优劣，也就显得有些狭隘了。　　车架的寿命和环境的关系　　车架的材料只是决定车架寿命的基础，由此而继续延伸的影响车架寿命的因素常见的有两点：一种是物理的，另外一种自然就是化学的。对于金属架子来说无非就是腐蚀和金属疲劳，对于碳架来说应该就是老化了。简单的说就是发生了损伤或者变质。　　通常对于金属材料来说，腐蚀就是材料因环境变化和作用改变了自身的材质属性，也就是变质了。通常这种变质就是生锈了。其中最让人头疼的无非就是钢架了。通常引起腐蚀的就是下雨，特别是酸雨对于金属的腐蚀性最厉害。　　铬钼钢架　　钢架是所有车架中最容易被腐蚀的车架。所以如果碰到加工粗糙甚至没有经过防锈处理的车架，钢管表面和涂漆之间就容易因为被腐蚀而膨胀，然后发展到局部遭到严重的腐蚀。长此以往，在经受了应力多的地方就会最先受创。这些通常都是焊接周围或者弯曲的地方。通常要及早发现，并且及时清理，用锉刀等锉平，然后再次进行防锈处理。否则就会从局部慢慢不断地腐蚀下去。最后形成致命的损伤。总之对于钢架来说，防锈是最头疼的问题。　　铝架　　铝从外观上看起来是相当耐腐蚀的材料。尤其是经过铝表面钝化处理的强度更大。这种处理是除了美化表面外，在铝的表面形成的多孔质地的氧化铝，氧化铝非常耐腐蚀，不被一般的酸溶解。　　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。为了使得车架结实，似乎就要增加车架的管壁的厚度，但是这又与谋求轻量而矛盾了。所以在轻量和寿命之间的权衡也成为让人头疼的问题。　　钛架　　此类架耐腐蚀性极佳，不怕雨水、不怕受伤。钛派似乎是最神奇的材料，具有记忆性，常常被用在高科技领域，似乎用在自行车上有些大材小用了。　　钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高。再有溶接加工极为困难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。通常所说的Tig焊接是：(Tig：钨、惰性气体的略语)用钨电极及氩气体进行弧焊接。钛的焊接必需隔绝空气下进行。材料和制作工艺决定了钛架的价格。所以倘若看到过于便宜的钛架，甚至接近成本的价格，那还是不要存在侥幸心理去购买了。　　碳架　　和金属车架不同，含有树脂因此也可以说耐酸。但是对碳纤维来说应多考虑内在因素，正如同有些车友说的，碳架是胶水粘的，寿命肯定没金属的长，因为胶水会起化学变化，会变质。的确碳架所使用的树脂老化的可能性是存在的。所以使用碳纤维的自行车架还是应该精心保养，在不使用的时候尽量避免阳光直晒，因为日光和周围的环境对于这类车架来说，影响还是很大的，不容忽视。而且不同厂家的技术不同，也的确存在着一些车架在阳光下回逐渐发白的问题。但是根据最新公布的资料显示，现在的碳架寿命已经超过许多合金车架了。这主要得益于环氧树脂的出现。　　但是碳架害怕尖锐物体的事实仍然存在。倘若在越野的时候磕在岩石上，昂贵的车架很可能就此彻底报销。即使是刀子与钉子这种不起眼的小东西对于碳架的伤害也可能是致命的。所以一般选择碳架的相对较少。　　另外一个影响车架寿命的重要因素就是金属疲劳。所以车架的寿命也就要受到车管上应力，管材材料的疲劳极限影响。但是通常在对车架进行设计的时候，很难兼顾理想厚度和应力的增加的。所以，虽然理论上是应该通过增加发生集中营里部位的厚度来强化车架，但是目前厂商主要采用的加工方法，通常是不是增加这些部位的厚度，而是通过减少盈利小的管道的中心部位管壁的厚度来达到减轻车架总体重量的目的。　　高级铬钼钢管：中央部位的管壁厚度为0.5mm。Dedacciai公司的最高级铬钼钢管的管壁厚度为0.4mm。　　铝制车架：Dedacciai公司的最高级铝管SC61-10A的管壁中央的厚度为0.8mm。最便宜的铝制车架的管道的厚度为1.8～1.3mm，可见Dedacciai公司的最高级铝管的厚度多么薄!这种薄的管使人感到强度行不行呀!　　钛制车架：关于钛制车架有Panasonic的0.6mm厚度。　　对于车友来说，当然希望自己的自行车能够用得足够长久。同时也能够达到美观、实用等特性。能够骑上把管壁加工至极限的薄而轻的车子是可以接受的，但是乘骑的次数越多，强度越下降，年年要换新的车子的话，实在是力所不能及的。
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铝合金架铝合金是纯铝中加入了Mg、Zn、Si、Cu等其他金属的合金。铝本身具有质地柔软，延展性好，抗氧化等多种优点，加入了其他的金属制成的合金可以非常显著的提升铝合金的机械性能。然后说一下标号吧精彩内容，尽在百度攻略：第一位数字：1系：纯铝 2系：主要是添加的铜 3系：主要是锰或锰镁 4系：主要是硅 5系：主要是镁 6系：主要是硅与镁 7系：主要是锌与镁 8系：自行车领域没有涉及，不过多说一句，部分铝箔和铝散热鳍是8系的。第二位数字：代表的是合金成分的修正次数，0就是没有修正过的原合金，1就是修正过一次，2就是两次，当然我还没见过3及以上的。第三位和第四位：代表的是其他成分合金的代号。精彩内容，尽在百度攻略：再说热处理，一般以车架这种结构合金为例，几乎都要做热处理，常见的热处理有T4、T5、T6等多种工艺。每种工艺处理之后的布氏硬度、机械强度、内应力等等也是有很多的不同。铝合金自行车架最常用的材料主要是6系铝和7系铝的很少一部分，以为主。这两种合金的机械性能很接近，7005铝比6061铝在硬度上更高一点，所以可以抽制成更薄一点的管材，也可抽制db管。在保证强度的情况下，7005铝制成的车架比6061铝制成的车架可以做到更轻一点。但是同样，大截面的管径以及7系铝本身的材料性能，让整个车架的舒适性要比6061铝更差一点，不过无论是6061还是7005可以说车架本身都是死硬，都没有舒适性可言了……扯点其他的铝合金材料吧。很多车子的补品是采用7075铝合金制成，比如说刹车夹器、牙盘、脚踏、刹车把手等等。可以说7075铝的硬度、机械强度都要比铝更上一个台阶。只可惜的是7075铝很难焊接，即便是4000号的焊条，焊口的强度依旧是很大的问题，作为结构合金来说，7075是不行的。所以常见的7075铝合金做的部件，大部分都是CNC切割成型。还有2000号铝合金，国内能生产这种标号的铝合金生产企业较少，大部分是进口铝材，合金成分主要是铜，硬度很高，并且不用进行热处理，不过耐腐蚀性较差，有些车子的牙盘材质是2000系，比如2024铝。牙盘准备再单写一部分。精彩内容，尽在百度攻略：说到铝合金车架，不得不提一下钪合金。钪合金车架就是在铝合金的材料基础上加入一点点的钪金属，然后使整个铝合金车架得到了一个质的提升。钪元素，属于典型的稀散亲石元素，已知的含钪的矿物多达800余种，单作为钪的独立矿物只有钪钇矿、水磷钪矿、硅钪矿和钛硅酸稀金矿等少数几种，矿源极少，在自然界中十分罕见。钪广泛分散于其他矿物，如铝土矿、钛铁矿、锆锰矿等等中。从组成复杂并且钪含量极低的原料中富集、分离、提纯过程十分复杂，产量很低。但是钪及其化合物价格不菲，金属钪的价格约为黄金的4-5倍。所以，即使是0.07%含量的钪合金车架，其金属材料成本依旧很高。不过说到轻量化上，抗合金可以在安全强度下，做到接近碳纤维的重量，甚至可以延展做到0.6mm的铝族合金极限壁厚，这一点上来说，其他的铝合金都完全无法匹敌，其物理性能可以说是多年被模仿，从未被超越（仅以铝族合金来说）。可以说，钪合金是铝合金中的王者一点也不为过。 钢架精彩内容，尽在百度攻略：众所周知，钢就是铁与碳的合金，铁的密度是7.9g/cm^3，相比较而言，铝的密度为2.7，钛大约有4.5左右，当然这个数据是粗略的数据，合金的密度受合金成分的影响。钢材属于人类比较早利用的金属之一，冶炼容易，机械性能优秀。根据杨氏弹性模量的数据，铬钼钢在200-207（GNm^-2），铝合金只有69-79，钛合金有80-130，碳纤维由于其材质特殊，弹性模量能在70-200之间不等。由此可见，钢材的弹性率是非常之高的。弹性率越高，也就意味着受力之后的弹性形变就会越小，范性形变不在此计算之中。再多说一句，车架的强度和硬度是两个概念……不做更多的解释了。精彩内容，尽在百度攻略：钢架，最常见的就是铬钼钢。可以说，优秀的强度，不俗的硬度使得铬钼钢成为最悠久的自行车车架材料。在这100多年的历史长河中，无数的先人对钢材的改良做出了不可磨灭的贡献。铬钼钢，可以说有着非常好的焊接性能，延展性，以至于理论上极限抽管能做到0.3mm的厚度，超薄的管壁使得车架整体总重下降了一个台阶。相对来讲，如果不是高端钢架，铬钼钢材质做的钢架还是有很好价格优势的。钢材的弹性使得骑公路去轧井盖成为了一种享受……焊接的容易程度即便是长途旅行架子摔坏了，随便找个电焊工都可以进行修补，焊接后不需要热处理是最大的便利。不过钢材，毕竟是钢材，即便是雷诺853系列的铬钼钢，依旧会出现生锈的问题。不过有些车架在管子的内壁做过防锈处理，至于结果，我没有测试过，不过可以肯定的是，即便是雷诺853这种车架，一旦生锈，在生锈点也会造成应力的堆积，以至于出现金属疲劳造成车架的永久损坏。精彩内容，尽在百度攻略：说完铬钼钢，再来谈谈大名鼎鼎的雷诺953钢材。953是一种刚性超强的不锈钢，可以抽出0.3mm厚度的车管，所以，很重的钢也可以轻量。无论是953还是853还是其他的4130铬钼钢，在抽管方面都是比较有难度的，不过相对来说，953的钢抽管难度则更高一些，要不断的退火—塑形—再退火—再塑形，马氏体不锈钢的塑形差这是众所周知的。简单的说，弄一块953的不锈钢不是什么多贵的东西，把它拉管制成零点几毫米厚度的钢管，并且进行热处理、焊接，还要有很高的强度，那么这材料的制作成本绝对很高。953钢材其实本身的特性已经与钢有了很大的区别，更多的是向钛合金性能靠拢，就连最基本的焊接也是与钛合金的焊接工艺接近。有幸得到过一根953的样品钢管，如纸一般的厚度，却有着6/4钛的1.8倍强度。 精彩内容，尽在百度攻略：钛架说完钢架，就要少少的说一点和钢材性能最为接近的钛。 精彩内容，尽在百度攻略：很多人认为钛合金是神秘并且高贵的材料，其实不然。钛其实是地球上储量非常丰富的元素之一，只不过冶炼以及合金加工困难造成的成本上升。 根据莫氏硬度我们可以看到（上文中有列出），钛合金的莫氏硬度大约是钢的一半左右换言之同样管径和工艺的钢管和钛合金管，在受到相同外力的时候，钛合金的管变形要比钢的变形大一些，简单的说就是车架要软一点。当然钛合金的硬度普遍是铝合金的1.3-1.5倍不等，所以钛合金制成的管径普遍是介于铝合金和钢之间的。精彩内容，尽在百度攻略：再补充一句，这里说的是钛合金，纯钛什么都干不了，太软了。前文说的钪合金也是加入微量钪元素的铝合金……钛合金和铝合金一样，一般的环境下几乎不会生锈，而且钛合金的重量强度比更高，也就意味着能制作出在保证强度的前提下，更轻量化的车架。同时，我认为钛架是钢架的一个延伸，钛合金的骑车感觉更偏向于钢而不是铝，简单的说就是让轧井盖成为一种享受而不是折磨，不过说归说，事实是还是铬钼钢的吸震性能更优异……当然，钛合金的疲劳上限是比铬钼钢还要高出3倍，不过这是在都是抽管很薄的前提下说的，如果使用稍微厚一点的铬钼钢的话，那么你就是骑到死你也骑不出来金属疲劳。说完好的一方面，再说差的一方面。精彩内容，尽在百度攻略：钛架确实好，但是合金的冶炼以及后期的机械加工就不那么的让人满意。以常见的两种标号的钛管为例，3/2.5钛合金可以说是最典型的钛管之一，3%的铝以及2.5%的钒让3/2.5钛管制成的车架有着非常接近铬钼钢的弹性，但是硬度要稍逊一筹，大管径以及抽管工艺可以轻松的让整个车架减重。但是这个车架的显著缺点就是实在是有些软，以至于在比赛过程中进行突然发力的时候，敏感的人甚至能够感觉得到车身在扭曲，我骑铬钼钢车架的时候大力摇车也有这样的感觉，不过这种感觉的频率个人认为3/2.5钛要比铬钼钢稍稍多那么一点。
而另一种钛合金6/4钛，则是硬的多，并且冷却成型之后，有着非常差的机械塑性，以至于无法抽拉制成管，所以这种6/4钛的加工工艺通常都是CNC切削，也就意味着6/4钛大部分只能用在不是管材的地方，比如说螺丝、把手、刹车夹器等非结构合金部件。不过Litespeed是个传奇，管材确实是用的6/4钛，具体工艺我是不了解了，那是人家保密的东西。
另一个制约钛合金发展的因素是焊接困难。钛是一种很活泼的金属，而且材料的性能对于杂质十分敏感，另外钛的饱和晶体结构对温度也十分的敏感，温度稍稍高上去一点，整个结构就会发生改变，这个变化在电镜下是可以看到的，属于化学变化而非物理变化。焊接工艺通常是氩弧焊，焊条则用钨丝这种不可熔材料。这些都是有形的增加了制造成本。最后一点也是很关键的一点，钛很活泼，所以钛和其他金属接触的时候，就会产生电化学效应，最后的结果就是融在了一起，并且腐蚀钛或者更活泼的金属。如果是两块钛在一起呢，就如同钛架上的钛座杆一样，紧密的结合一段时间就会紧紧的抱在一起，永不分离……不过有个什么油脂膏我忘了，能够有效的阻止这些情况。以上我所说的钛合金架子的性能，非航轮钛架所能比，国产的钛架恐怕连最基本的抽管都做不好，至于骑行感，最多的只是软软的、滑滑的感觉以及骑在大街上那种回头率超高的装13感……精彩内容，尽在百度攻略： 碳纤维架开始说说我最想说的碳纤维这种材料。精彩内容，尽在百度攻略： 可以说碳纤维这种材料是个新兴的材料，整体性能完全不同于过去的金属材料。不过正因为特性与金属完全不同，所以也就带来的碳纤维标识的诸多差异。几乎每一个品牌都有自己独立创造一套碳纤级别以及性能参数指标。比如pinarello的30HM8k、60HM1K等等，美利达的NANO FLX，Giant的T700 3K、T800 1K，Trek的OCLV等等，可谓直接参数方面千差万别。对于日常的消费者，你研究的越深你就越糊涂……抛开各种规格，直接看最基本的碳纤维本体。碳纤维，英文名为Carbon Fibre，是一种由聚丙烯腈纤维、沥青纤维或粘胶维等经氧化、炭化等过程制得的含碳量为90%以上的纤维。优质的碳纤维的本体，是比头发丝还要细很多倍的超细纤维。碳纤维本身柔软，有弹性，单位截面积上的碳纤维，具有很高的拉伸强度，但是其本身的特性，几乎没有抗扭转性。碳纤维车架的原材料是碳纤维布，碳纤维布的单位是碳纤维束，碳纤维束的基本单位就是碳丝儿。这就如同我们日常的布一样，布由线织成，线由棉花纤维拧成。精彩内容，尽在百度攻略：优质的碳纤丝的纤维截面积、长度是保持高度一致的，简单的说就是粗细统一，没有哪里突然粗出来也没有哪里突然细了。1K、3K这样的标识是指的单根碳纤维束里面所包含的碳纤维丝的数量。简单的说，这个数字越小，线就越细，数字越大，线就越粗。现在常见的有两种纤维束，一种叫大束，通常在24K以上，一种是小束，1-12K都是常见的。制成碳纤维车架的材料是碳纤维布，就如同我们穿得衣服一样，这个碳布使用碳纤维束编制成的，常见的编制工艺有单向织法和交叉编织法。单向编织法就是将一根根的碳纤维束平行的排列在一起，然后胶合，形成一张致密的布，这张布有非常大的指向性强度，顺着碳纤维束方向的拉伸强度非常高，但是如果横过来，一拉这张布就扯开了。另一种编织法叫十字交叉编织法，就如同我们日常穿得衣服一样，这里碳纤维束分经线和纬线，指向性强度不明显而且比单向编织法作出的碳布强度低很多，但是这样编织有两个优点，一个是你能看到碳布的格子花纹，再一个碳布的抗扭曲能力要比单向编制高那么一点点。精彩内容，尽在百度攻略：如果大家有机会，一定要亲自把整个碳纤维车架锯开，无论是上管、竖管，都要从中间横断，仔细去看横断的纹理就知道碳纤维的制作工艺是多么的复杂了。碳纤维车架，99%的碳布使用的是单向编织法的碳布。这种碳布拥有很高的指向性拉伸强度，但是由于碳纤维本身的材料特性，几乎没有抗压缩性能和抗扭曲性能，而自行车的车架，却要承受着几千种不同方向的力，作为碳纤维这种材质，必须要将每种方向的力都要用碳布的拉伸来支撑，在如此细致的条件下，只有性能单一的单向编织出来的布可以胜任。因为要平衡各种方向的力，于是就需要将碳布用各种方向排列。力的方向太多了大小变化也太多了，在没有计算机模拟的过去，这几乎是不可能实现的。将不同方向的布一层层胶合好，层压、碳化成型，这就是碳纤维车架的制作大致流程。好的，我们回到刚才的碳纤维束来。大家能想象的到精梳棉针织的衣物和粗布麻袋之间的区别么？K数越少的碳纤维束，其直径就越细，越细的线，编制的密度也就越高，以单层纤维束来算，布的厚度也就越薄。举个例子，在相同厚度的情况下，我用24K的纤维束做成的碳布一层，而用12K的碳布我能做3层，每平方厘米，12K的碳纤维数量是120万根，而24K的只有60万根。以碳布来说，K数越小，单位厚度的强度就越高。如果制成车架，12K的碳布我需要30层，但是1K的车架可能我就需要用60层，虽然层数增加了，但是由于每层碳布的质量的减少是远远大于增加层数所带来的质量。所以，K数越小，做出的碳架就越轻，当然由于层数的增加，制造成本也是几倍的向上。精彩内容，尽在百度攻略：那十字交叉法编制的碳布用途呢？只有做非结构部件的材料以及装饰用，比如说某些汽车的前引擎盖和我们看的很多碳纤维材料的表皮。不贴那层装饰的话，碳纤维车架骑出去就跟磨砂黑烤漆的铝架外观一样……碳纤车架我见过两种，一种是碳管，然后用铝接口将其连接在一起，还有一种就是一体成型的。因为运动自行车对于车架尺寸的要求十分严格并且是分尺码的，而一体成型车架需要用大尺寸的模具进行制作，很多的一体成型碳纤维车架都需要大量的人工进行制作，所以模具成本以及人工成本在整个车架里面的比重是很大的，这也就是说为什么碳纤维架价格居高不下的原因。现在有很多的寨架，从专业角度上来说十分不建议购买。材料上的偷工减料是一方面，比如碳纤维里面掺其他纤维，还一个碳纤维布良莠不齐，由于工艺的问题，碳纤维束的废品率一直居高不下，用良莠不齐的碳纤维束做成的碳布，性能什么的自然不乐观。剩下的就是每层布的方向性设计问题。一个性能优秀的碳纤维车架，可以有钢一般的硬度和弹性，比铝还轻的重量，如钛一般耐腐蚀，可以说是时下新兴的材料。不过千万不要让寨架破坏了这样的感觉。精彩内容，尽在百度攻略：顺便一说，碳纤维车架的单点强度很差，并且一旦损坏是直接报废，毫无修复的可能，所以说烧碳之前还请三思。 （完）精彩内容，尽在百度攻略：
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