铝合金
历史
第一批铝制自行车是在本世纪初左右制造的。那就是:19世纪。铝被用作自行车车架材料的最早文献是Clement Cycles在1893年的一次巴黎贸易展上制作的三个例子。这辆自行车不是用内胎制成的,而是坚固的整体式铝铸件!
当然,这在当时是非常令人印象深刻的,因为铝是1856年才首次工业生产的。但是,正如您可以想象的那样,这些实心框架非常重且不是很好。
在接下来的80年里,铝作为框架材料仍然是一种好奇,而钢框架则主导着性能和实用性市场。直到开发了TIG焊接并在70年代变得普遍之后,这种情况才会改变。这种进步使得挤压空心管的结构得以实现,并可能获得更好的性能。
1974年,麻省理工学院机械工程专业的学生马克·罗森鲍姆(Marc Rosenbaum)决定尝试为其高级论文制造铝制自行车。他利用了铝的低密度优势,并用大直径的管子和非常薄的墙壁制造了他的自行车。他的努力的结果是使一辆履带自行车的重量减轻到了12.3磅!
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紧随其后的行业。加里·克莱因(Gary Klein)于1977年为宽管铝合金自行车架申请了专利,并创立了克莱因自行车公司。坎农代尔(Cannondale)于1983年推出了CAAD的第一个模型,随后不久,阿尔(Al)也加入了该专家的行列。Miguel Indurain于1995年在铝Pinarello Keral Lite铝材上赢得了首个TdF,在直到1999年被碳替代之前,它们一直是首选材料。
如今,铝制自行车车架已成为大多数新产品的生产方式,而取代钢的成本最低。您可以从每家百货商店购买铝框自行车。铝还以最高水平出现在专业车队中,乔尼·布朗(Jonny Brown)的Specialized Allez赢得了2018年美国公路锦标赛的冠军。
材料特性
大多数结构金属具有相似的最大强度重量比。这是由于金属键的物理作用。铝合金与钢和钛合金遵循相同的曲线,但单位体积的密度和强度较低。这具有一些含义:
铝对于尺寸受限的高强度应用不是很好。铝永远不会是螺钉,螺栓或铆钉的极好材料,因为它将是钢强度的一小部分。
但是,对于自行车胎,情况则相反。具有相同直径的大直径管和薄壁管较轻。这是因为在扭转情况下,管的刚度(惯性矩)与半径的立方成比例,并保持相同的总材质。然而,足够细的管容易受到局部壳体屈曲的影响。这种效果限制了钢管的厚度。因为铝的密度要小得多,所以相同质量的铝可以制成直径和壁厚都更大,因此更硬的管。可替代地,可以使同样刚性的框架比钢轻。如今,大多数铝制框架的管子都比钢制自行车的管子宽得多,但实际上这些管子的宽度小于理论上的最佳宽度。为了抵抗操纵负荷并改善空气动力学而做出了一些折衷。
铝在空气中会自我钝化,这意味着氧化的金属可以保护下面的金属免受腐蚀。这意味着铝不会在淡水或空气中生锈。但是,铝容易受到腐蚀钝化膜(包括盐水)的溶液的腐蚀。对于海洋环境和道路盐渍化的冬季,这是一个问题,您应该覆盖所有裸露的铝。
铝合金在约600°C熔化,并且相对容易铸造。但是,高强度应用更喜欢锻造铝,因为这可以使晶粒沿有利方向排列。铝也比钢或钛容易加工,并且不会因加热而明显硬化。许多高质量的现代铝制框架是通过液压成型制成的,其中高压水迫使铝管进入阴模。此过程可提供相当大的设计自由度,并且铝管的形状比钢要大,尽管程度要比碳小。
通常认为铝合金没有疲劳极限。这意味着在足够高的循环计数下,任何负载最终都会导致故障。因此,可以看出铝制框架具有有限的使用寿命。这与诸如钢的材料相比,在低于疲劳极限的负载下具有(实际上)无限制的循环极限。这并非完全正确,铝合金在最高循环次数范围内具有指定的疲劳强度。但是,铝的疲劳强度定义不如钢,因为其疲劳图在任何时候都不会急剧弯曲。以我的经验,精心设计的铝制框架的使用寿命将比大多数人保持运转的时间更长。我的日常司机今年二十岁。大多数人(虽然可能不是读者)没有那么久的自行车。
6061T6是循环中最常用的铝合金。它用途广泛,强度适中,易于通过TIG焊接。7075的强度约为其两倍,但不能焊接,并且容易产生微裂纹。许多自行车制造商对于使用的合金都有自己的商标名称,这些名称可能与上面的相同或不同。存在许多稀有合金以及诸如镁和exotic的元素。
铝6061T6
- 密度:2700 kg / m ^ 3
- 屈服强度:276 MPa
- 极限强度:310 MPa
- 杨氏模量:69 GPa
- 屈服伸长率:0.4%
- 断裂伸长率:12%
- 疲劳极限:97 MPa
- 布氏硬度:95
铝7075T6
- 密度:2810 kg / m ^ 3
- 屈服强度:503 MPa
- 极限强度:572 MPa
- 杨氏模量:72 GPa
- 伸长率:0.7%
- 断裂伸长率:11%
- 疲劳极限:159 MPa
- 布氏硬度:150
只是为了比较:
4130铬
- 密度:7850 kg / m ^ 3
- 屈服强度:435 MPa
- 极限强度:670 MPa
- 杨氏模量:205 GPa
- 屈服伸长率:0.2%
- 断裂伸长率:25.5%
- 疲劳极限:320 MPa
- 布氏硬度:195
钛6Al4V
- 密度:4430 kg / m ^ 3
- 屈服强度:880 MPa
- 极限强度:950 MPa
- 杨氏模量:114 GPa
- 屈服伸长率:0.8%
- 断裂伸长率:14%
- 疲劳极限:510 MPa
- 布氏硬度:334
东丽T700S碳纤维(UD)
- 密度:1800 kg / m ^ 3
- 极限强度:2550 MPa
- 杨氏模量:230 GPa
- 断裂伸长率:1.7%