脚车的材料分析和分享

honkin

看了Dark_GeneSyS大大的帖子，小弟也觉得是时候写一些分享帖… 小弟大学是读材料学的，所以就和大家分享一下各种主流的材料的特性，利与弊吧！

Aluminium / 铝合金

铝合金代表: Canyon Ultimate Al

就从铝合金开始吧。先纠正一件事，那就是网上很多时候把alloy这个字与铝合金划上等号。其实不然，只要不是纯金属，铝合金，钛合金，cromoly都是alloy。 铝合金有很多系列，1 ~ 9系列都有，主流的铝车是6和7系的。那么每个系列有什么分别呢？其实就是里面的成分有些些的不一样，某个系列可能多一些chromium，某一些系列可能就比较多silicon等等等等… 这些成分虽然只是占很小的总百分比，可是却对整体的强度，重量很有影响。铝合金算是那么多金属里比较便宜的选择，原因是因为我们地球上还蛮多铝合金的矿的，而且提炼温度不高所以大大压低了价格。 因此，很多入门车都是铝合金的。

错误迷思:

很多网上的报道有指出铝合金有金属疲劳(metal fatigue)的问题，很不耐用。这个东西只是对一半。原因是因为只有在同样的形状，管壁的厚度的情况之下，铝合金才拥有比较短的fatiguelife(就是可以抵抗重复的震动的寿命)。这个东西，厂商绝对了解，也因此对要承受很多震动的部位，例如chainstay，seatstay做出了相应的设计改变。因此铝合金车绝对没这方面的问题。

Carbon Fiber / Carbon Composite / 碳纤维

太多的碳纤维代表了... 就选Basso 的 Diamante做代表啦: Basso Diamante Super Veloce Super Record EPS （好长）

接下来就是碳纤维(carbon composite)咯。什么是碳纤维？其实就是把碳(通常其中一个来源是我们的柏油路的黑油)拉成一丝一丝的线，然后靠epoxy把他们粘合在一起。粘合的过程很重要，只要有任何的泡泡遗留在epoxy内，就会成为一个裂缝的起始点(crack initiation)。这个裂缝即使是肉眼看不见的，也会在车架被重复的扭曲，伸缩而加大，到最后导致断裂。听起来很恐怖？所以碳纤维车架的厂商都有各自的一套方法来减少泡泡的产生和遗留在epoxy里。碳纤维的零件到目前为止还是要靠人手制作，只有很大很大的汽车厂商才有技术使用机械代替人手做layup的步骤(有兴趣的，可以看看Merc.Benz SLR)。而大量需要人手，高科技的结果导致了carbon零件的高价。碳纤维有什么好处的呢？车架强度高，可以塑出复杂的形状，而且很轻。碳纤维的致命的缺点就是destructive failure。简单来说，就是一旦裂了，坏了，是马上就不能再用了而元凶就在于epoxy。Epoxy本身的特质是brittle的(脆)。简单的说，你可以想象它是玻璃，只要有一点点地裂痕，基本上玻璃就很脆弱了(实际上，玻璃还比epoxy更坚硬呢！)

Titanium Alloy / 钛合金

Lynskey Backroad ngam看？

接下来就是钛金属。钛金属是一个又轻，又强壮的材料。可是基于昂贵的提炼成本(有兴趣的可以看看kroll process和hunter process)，和焊接过程的难度导致了高昂的制造成本。钛金属有很高的熔点，使得它不能用正常的铸模方式来制造。这也使得造价被提高了。车架的强度，除了碳纤维之外，基本上没有什么金属能赢他的。钛金属主要的缺点就是贵！ 很贵！

Steel / Chromoly / Carbon Steel / 钢铁

铁车，怎么能不提Colnago叻...

最后一个就是铁/钢铁！ 铁有很多种。淘宝上面常看到的高碳钢就是Carbon Steel,而cromoly就是另外一个系列的钢铁（4系列的钢铁）。铁也是一个很便宜的金属，原因是地球的蕴藏量很多，还有经过多年的改进后，近乎完美的提炼过程，而降低了价格。铁相对的比较没弹性，因此比较难做出复杂的形状，所以大部分看得到的钢架车，形状都是单调的tube和lug的设计。钢铁的最大的好处就是很强的抗疲劳性，所以很多的Touring车选择了钢铁作为车架的材料。强度嘛，中规中矩。在适当的oversize下，还是有不错的强度的。

错误迷思:

铁会生锈！ 错啦！Carbonsteel（高碳钢）会而已。为什么呢？因为像是cromoly的钢铁，里边有一个成分叫铬。这个东西会和空气的氧气形成一层的保护膜，因此很多钢铁是蛮难生锈的。可是重复的刮磨，还是会生锈的（保护膜来不及生出来啊！！）

好了，就差不多这样了，有什么错处大家可以多多纠正。

Dark_GeneSyS

很好的解释....铝合金再加T6过程就是可以让铝合金可以更坚固。

有T6可以让铝合金抗氧化，加上可以让铝合金power transfer更好。

以我所读过的资讯，有经过T6过程生产的铝合金会即使不使用放着也会让铝合金随着时间越来越硬。

基本上6069铝合金都是有T6，就以目前也算第一家大厂做例子，CUBE目前依然使用6011铝合金，但2016年起的铝合金产品直接多加T6过程。

能做得到产品价格比6069来得便宜，但又能增加车架硬度。看得出德国佬把自己铝合金产品线做得蛮重视，认真，再加上Made In Germany为主打。不愧是德国最大的自行车品牌，也了解目前为什么Cube铝合金产品会起价，因为更值得。

honkin

Dark_GeneSyS 发表于 1-5-2017 12:52 AM
很好的解释....铝合金再加T6过程就是可以让铝合金可以更坚固。

有T6可以让铝合金抗氧化，加上可以让铝合金power transfer更好。

以我所读过的资讯，有经过T6过程生产的铝合金会即使不使用放着也会让铝合金随着 ...

谢谢大大提醒， 我忘了打这一part
其实常见的铝合金还有各种后续的处理方式，较为常见的是T4和 T6
那么什么是T4和T6叻 ? 他们是一种把铝合金变硬的方式。由于铝合金内其他金属元素处于一种不平衡的状态，所以这些元素不能在常温溶于铝合金内。就好像常温的白开水，你尝试溶解盐分，当你溶解到一定的分量的时候，就再也溶不了。可是透过加热盐分还是可以溶入水里，一开始冷却又会结晶回去固体的盐。同样道理，铝合金在高温的时候，其他元素是溶于铝合金内的。在冷却的时候，其他金属就会结晶在已经冷却的固体铝合金内。这些“渣”就好像一只只的针，在微米的程度上固定了铝合金晶体结构，因而大大提升了本身的强度。
这整个过程学术名称叫Aging/Age Hardening

T4是Solution Treated/Natural Aging
T5是Natural Aging
T6是Solution Treated/Artificial Aging

Solution Treated就是上面提到，加热铝合金让其他金属溶解于铝合金内的过程
Natural Aging是自然地让其他金属成分在常温下结晶，增加强度
Artificial Aging是人工的加热下结晶
相比之下，Artificial Aging会更快达到所要的硬度，是一个更为符合工业利润的过程，因此现在很多都是用T6这个程序来处理铝合金的

honkin

Carbon Composite's Directional Strength / 碳纤维的方向性强度

碳纤维是一个很特别的材料，因为他自己本身的强度可以依照使用者所需，改变编制，排列和epoxy的多少来改变。我就用一些简单的东西来解释：

以下是寿司竹帘


我就列出x,y的方向：
/'\   (y)
|
|
|-------->  (x)

其中竹子就是碳纤维丝。请注意所有的方向是一致的。你会发现到往x方向扭曲，这片东西没什么强度，相对的y方向则很坚硬。一样的东西可以用来解释为什么碳纤维的车架某个部分很硬(BB,HT),而某些部分则很有弹性(chainstay)。 透过不一样的编排方式，就可以量身定做出所需的特质，强度。而这些方式也使各家厂商的顶级秘密。


这张照片就看得出一个车架的部分，因为强度的需要，而使用的各种carbon layup

Dark_GeneSyS

honkin 发表于 1-5-2017 10:21 PM
Carbon Composite's Directional Strength / 碳纤维的方向性强度

碳纤维是一个很特别的材料，因为他自己本身的强度可以依照使用者所需，改变编制，排列和epoxy的多少来改变。我就用一些简单的东西来解释：

以 ...

如果有一天那个网友想试一试打磨表面epoxy方式放点水在表面或是砂纸，磨起来轻松很多。
也就是为什么下雨天骑车下坡carbon wheelset的brake wall比较容易耗损得快。

而热天频密用brake也会导致烧框，当然目前科技epoxy有进步再搭配特制的brake皮可以增加寿命。

Carbon layout有好几种类，UD，3K，等等...这两种是比较常见。

至于Composite Carbon就好像把多余剩下碳纤维原料脆片渣，攪成粉状。然后再把carbon 粉加入融合epoxy放入模具里生产。所以composite carbon可以做到轻量，但做不到好的硬度。

*以上所说的有错误，请纠正。

臭小鬼

Dark_GeneSyS 发表于 2-5-2017 10:33 AM
如果有一天那个网友想试一试打磨表面epoxy方式放点水在表面或是砂纸，磨起来轻松很多。
也就是为什么下雨天骑车下坡carbon wheelset的brake wall比较容易耗损得快。

而热天频密用brake也会导致烧框，当然目前 ...

就像Peter Sagan被问到rim brakes和disc brakes时讲这样，“安全早已经不存在于pro peloton里面”.
我基本上除了TT用途以外，根本不会考虑用carbon rims，除了discbrake carbon以外。

Dark_GeneSyS

臭小鬼 发表于 2-5-2017 01:16 PM
就像Peter Sagan被问到rim brakes和disc brakes时讲这样，“安全早已经不存在于pro peloton里面”.
我基本上除了TT用途以外，根本不会考虑用carbon rims，除了discbrake carbon以外。

竞技性使用和常人普通运动使用确实是需要去衡量呢.....

stskyjuice

楼主你好，

谢谢你的分享，小弟有些事情不明白，想请教一下你。

1） 材质的 tensile strength 是不是等于脚车的强度?

之前小弟有找过一下google 关于这些材质的tensile strength，我在wiki （不知道准不准）找到有关于单一材质的tensile strength. Carbon T1000 (6370MPa) > Steel (400 - 2600MPa) > Titanium 6al-4v (1170 MPa) > Alu Alloy 6061-T6 (300MPa)

https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength

我在想如果tensile strength 代表车的强度，那样也是合理，因为单车的重量也是从 alloy > steel > titanium > carbon。因为材质强度不足所以要用多一点材料弄得刚性好一点。

我发现有些 stainless steel材质强度还很不错，Reynolds 953 stainless steel 的 tensile strength 在2000MPa
http://www.reynoldstechnology.biz/materials/steel/s-953/

如果不是看tensile strength 应该看什么东西？


2）材质的density 对脚车有什么影响吗？

除了说密度比较高，也应该比较重吧？密度越高的好处是什么？


3） 我整天听人家说把aluminium, steel, titanium 做加热处理会增加刚性是什么道理？

我发现有些 stainless steel材质强度还很不错，reynolds 953 stainless steel 的 tensile strength 在2000MPa


Carbon 通常厂商都会把几种不同的碳钎布 T700,T800,T1000, 用不一样的lay up 弄出来的，还有一个致命的缺点是不耐尖锐的东西撞到carbon.

honkin

stskyjuice 发表于 2-5-2017 03:00 PM
楼主你好，

谢谢你的分享，小弟有些事情不明白，想请教一下你。

1） 材质的 tensile strength 是不是等于脚车的强度?

之前小弟有找过一下google 关于这些材质的tensile strength，我在wiki （不知道准不准 ...

不敢当，大家分享分享啦

1)你找到的是Ultimate Tensile Strength，其实是一个东西，能承受多少的拉力才会断。这里的重点是断，意思是坏掉，一分为二。如果有兴趣的话，可以看看Young Modulus。 这个东西是测量一个东西到底有多大的能耐抗扭曲。用另外一个词，就是Stiffness，很熟悉叻？

不过这些东西嘛，看归看，还有一个东西会影响他们的强度的就是形状。这些数据都是根据standard建议的形状下测试得到的，可是当形状不一样的时候，强度差很多很多。
一个很好的例子就是铝汽水罐，一脚就可以踩给它扁，可是我们的铝合金的车架，明明也使铝金属，却强大很多，这个就是形状的差别。

2)Density 第一个影响的就是重量。这个时候就可以连接回去第一个问题。 Titanium不是最强的金属，可是为什么那么受欢迎？因为Density很低。有一个性质叫Specific Strength / Specific Stiffness,这个东西是要除于本身的密度来得到的。 高的Specific Strength/Stiffness,就代表在同样的重量下，它是很硬的。Titanium如果我没记错的话，他的Specific Strength/Stiffness是很高的。

密度高的话，那个金属通常会比较有弹性。可是这个是很广的定义啦，也要看它里面晶体的排法。然后... 就好像没什么好处了

3)Aluminium的热处理在三楼。 钢铁的就要看是什么处理了，因为钢铁的热处理方式很多，不过我想基本上很多时候用的只有2个-Annealing和Tempering

Annealing
就是慢慢加热钢铁（烤他啦~~） 来得到更大的抗扭曲度。通常把钢铁塑成不同的形状之后，在钢铁的晶体里会存在一些剩余的压力（拉力）这些拉力会导致钢铁比较脆弱，因此要慢慢烤他，释放压力。

白话版:假设你拉一条橡皮筋，你轻轻一割就断了。可是你加热他，让它熔化成你要的形状后，你再轻轻割他，是不是不会断叻？

Tempering
如上，通常用于马士体钢铁(Martensite)。马士体太硬了，因此要烤给它变成其他的钢铁，如奥氏体和白氏体。 这两种的铁比较有弹性。

Titanium的我也不懂可以做什么，应该就只有Tempering可以做吧？

还是木头

Dark_GeneSyS 发表于 2-5-2017 10:33 AM
如果有一天那个网友想试一试打磨表面epoxy方式放点水在表面或是砂纸，磨起来轻松很多。
也就是为什么下雨天骑车下坡carbon wheelset的brake wall比较容易耗损得快。

而热天频密用brake也会导致烧框，当然目前 ...

听说Carbon Wheel经过GTG特殊处理可以耐260度高温，刹车边涂上一层玄武岩，能有效的防止高温变形。。。

听说的。。。

Dark_GeneSyS

还是木头 发表于 3-5-2017 10:54 AM
听说Carbon Wheel经过GTG特殊处理可以耐260度高温，刹车边涂上一层玄武岩，能有效的防止高温变形。。。

听说的。。。

对....看到很多广告都说玄武岩。但确实目前carbon brake wall的品质已经在进步中，也没有频密看到有人烧框。

只不过我每次快速下坡都不跟我朋友的尾，因为carbon rim那种brake声搞到我“意乱情迷” 很不安

stskyjuice

honkin 发表于 2-5-2017 07:04 PM
不敢当，大家分享分享啦

1)你找到的是Ultimate Tensile Strength，其实是一个东西，能承受多少的拉力才会断。这里的重点是断，意思是坏掉，一分为二。如果有兴趣的话，可以看看Young Modulus。 这个东西是测量 ...

1) young modulus 真的很熟悉，得空去查看看。

真的，做好一个脚车不单单只是看材质，对材质了解和怎么运用他的形状（工法）来达到你要的舒适和刚性，我和别人学看了一下那些形状，通常后下叉都长的比较粗壮，可是后上叉却细细扁扁的。要达到舒适够，刚性好，重量轻的最佳化真的不简单，接下来就是看脚车的几何设计。

我自己有试骑很好的 6069 铝车， 也试过很好的 stainless steel 车（还没有骑过 titanium 和很好骑的 carbon 车）

2）Density 原来如此，所以titanium 车都会比较轻就是这个道理，不需要太多的材料就能达到一定的stiffness。也因为density 比较高的 stainless steel 材质就比较舒服。

3）我google 一下 Anneling 就好像人家做刀那样？加热捶打，然后冷却，再重复，之后再 tempering, low temp 来烤它变成你要的 stiffness

4）想问一下，他们用来焊接的材料是不是用车架一样的材料？焊接时候，在焊接的地方会不会影响stiffness?

因为以前specialized E5 车架出来的时候，他们的宣传方式是他们的tube的焊接处有特别的改良，利用更大的空间来焊接就会比较牢固和增加stiffness,而且焊得比较平滑,specialized叫smart weld
https://www.youtube.com/watch?v=uod5bSgH1Vg

理论上来照他们这样做应该是会增加刚性，不过传统的 welding 方法刚性应该也不会差太多吧？

5) 请问你知道 Graphene (C) 这个东西吗？ 最近有它的成分的脚车产品都贵到离谱。我只是知道它也是carbon的一种粉，更轻更硬，不过听说这种材料其实没有那么神。怎么不神法我就不知道。


等我的stainless steel 车到了我再写一篇分享文出来。Cari 很少有像你这样业内的专业的帖子 ：）

stskyjuice

还是木头 发表于 3-5-2017 10:54 AM
听说Carbon Wheel经过GTG特殊处理可以耐260度高温，刹车边涂上一层玄武岩，能有效的防止高温变形。。。

听说的。。。

玄武岩确实很好，我知道两家公司都采用相同的东西。
我觉得要用carbon wheel 最好还是用 tubular 框，比较耐烧。
我钱包没有那么厚，还是在用铝框。怕死用第一次就烧框或者撞坏。。。。

Dark_GeneSyS

stskyjuice 发表于 3-5-2017 01:35 PM
1) young modulus 真的很熟悉，得空去查看看。

真的，做好一个脚车不单单只是看材质，对材质了解和怎么运用他的形状（工法）来达到你要的舒适和刚性，我和别人学看了一下那些形状，通常后下叉都长的比较粗壮， ...

这帖子确实很有益，也可以让很多玩家更加了解里面的大概。

但....cari还有很多很有益的帖子，我的帖子没有益嚒 (开玩笑)

Graphene听过，也知道，目前用来做车架。但价位就超高那种，而且真的硬就是好处吗？

还有一点就是为什么很多车架我需要看图或是实车我才能确定车架带给的performance和舒适度，不单纯看geometry，看车的每一个part可以更清楚。

不是每个seatstay，chainstay，或是其他part随便拿管来welding就可以。重点还是需要看他们怎样压缩

还是木头

stskyjuice 发表于 3-5-2017 01:42 PM
玄武岩确实很好，我知道两家公司都采用相同的东西。
我觉得要用carbon wheel 最好还是用 tubular 框，比较耐烧。
我钱包没有那么厚，还是在用铝框。怕死用第一次就烧框或者撞坏。。。。

不只是你怕，我也怕。。。

虽然说是有玄武岩，不过就是5km下坡的Tun Sardon我还是不敢太时常去，12km的日莱峰更不敢去。在等着骑上去后有机会坐车下来时才去。。。

stskyjuice

Dark_GeneSyS 发表于 3-5-2017 02:06 PM
这帖子确实很有益，也可以让很多玩家更加了解里面的大概。

但....cari还有很多很有益的帖子，我的帖子没有益嚒 (开玩笑)

Graphene听过，也知道，目前用来做车架。但价位就超高那种，而且真的硬就是好处 ...

我说错了。。原谅我的嘴（手指）。。。该打。。。

我应该说，很少有这种业内的专业的分析。

我应该要多试试车，那样才知道好坏。。呵呵。现在只是理论上走，没有实际感受还是差很多。

Graphene 除了做车架，也可以拿来做carbon轮框, vittoria轮胎也是有用graphene，有人试过说真的很少阻力。可是好像很贵我不舍得买来试。
还有人用graphene做了400多克的车架。。。不知道骑下去会不会出人命。。。。

stskyjuice

还是木头 发表于 3-5-2017 03:11 PM
不只是你怕，我也怕。。。

虽然说是有玄武岩，不过就是5km下坡的Tun Sardon我还是不敢太时常去，12km的日莱峰更不敢去。在等着骑上去后有机会坐车下来时才去。。。

木头老大，

下坡还是慢点安全点好，我们不用那么拼，又不是靠骑单车找饭吃。
跌断手脚不是闹着玩，严重弄到瘫痪更加糟糕 choi!!! touch wood!

Dark_GeneSyS

stskyjuice 发表于 3-5-2017 05:20 PM
我说错了。。原谅我的嘴（手指）。。。该打。。。
我应该说，很少有这种业内的专业的分析。

我应该要多试试车，那样才知道好坏。。呵呵。现在只是理论上走，没有实际感受还是差很多。

Graphene 除 ...

vittoria corsa Graphene目前很火热，但是价钱不便宜而且好像不耐。

网上测试阻力是8%而已，很低阻力的好东西。

honkin

stskyjuice 发表于 3-5-2017 01:35 PM
1) young modulus 真的很熟悉，得空去查看看。

真的，做好一个脚车不单单只是看材质，对材质了解和怎么运用他的形状（工法）来达到你要的舒适和刚性，我和别人学看了一下那些形状，通常后下叉都长的比较粗壮， ...

1 和 2 我就省略先了
3) Annealing是指加热的那一个步骤而已。敲打是因为要扭曲里面的晶体结构。一个已经扭曲的晶体结构，会有比较高的刚性。可是这个过程很浪费时间啦... 现代都透过Oversize来解决刚性不足的问题，省材料省时间

4)首先，要看你是什么Process。Brazing和Welding是不一样的

Brazing通常是用较低熔点的金属，溶化后，再连接两个零件。所以焊接的时候，被溶化的是filler rod。 通常接口弱过其余的部分
Welding也是用Filler rod,我也不是很确定怎样选，可是好像是会用和要焊接的金属一样类型金属的filler rod。焊接的时候filler rod会和零件一起融化再焊接在一起。通常焊接口的刚性会高过其他部位，条件是焊接要完美，不然就惨咯。焊接的温度，速度，rod的选择，周围的空气，技术都是决定焊接品质的关键。

Brazing通常是用在Stainless steel

（铜braze去stainless steel）

Welding很多地方可以用

关于那个Allez的frame，他讲的都是假的，都是商业用词，他最大的，有实际用途的卖点，是把焊接口从交界处移去了别个受力比较小的地方。通常接角的地方受力很大，所以断裂通常会发生在这些地方。假如你的焊接口不漂亮的话，那么其实焊接口是一个很脆弱的点。现在远离交接处，就可以提高刚性咯。他把头管，BB处一体化，也是提高刚性很好的方法。如果只是单纯比焊接技术，种类的话，还是一样的。 讲到底，形状（焊接的范围，地点，一体化重要部位）最重要。
顺便看看到底哪里承受的力度最大 :


5)Graphene其实就是把我们现在的fiber，剥剩下一层的碳分子而已。他会很贵的原因是因为很难提炼到很纯正，很高品质的Graphene。它的强度真的很高，可是在处理过程的时候，无论多高科技的process，多昂贵都会不小心带进一些杂质进去。这些东西就会降低graphene完成品德强度。因此graphene还没开始真的发挥呢！等到工业技术足够成熟的时候再回来看它吧。那个400g车架没记错是理论上可以做到而已，实际上还没做出来呢。

说到阻力，其实阻力的来源就是某个东西和另外接触的东西有化学反应，粘在了一起，然后又要切断他们所需要用的力。Teflon和Graphene之所以会那么低阻力，就是因为它们的化学性质超超超就稳定，很难发生化学反应，所以阻力就很低。

还是木头

成精了，成精了，此楼成精了。。。。