材料的常用知識應力以及變形

2021-08-03 16:21:52 字數 5937 閱讀 8973

(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。

作為自行車的材料,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(gnm2)來表示。資料越大彈性率越高。

相關資料如下:

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

結論: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,對自行車來說該資料是很重要的。

第二部分屈服強度、拉伸強度(mpa,n/mm2)

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。

相關資料如下:

用在自行車上的材料拉伸強度

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 753 597以上

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。

用在自行車上的材料密度(g/cm3)

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

結論: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。

還要考慮拉伸強度、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製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、通過硬化加工來增強、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,其中有乙個人下了電梯,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,自行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)

在自行車的100年歷史當中,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,這對於數公釐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:

1 淬火性好。

2 對回火處理的抵抗性大。

3 回火脆性傾向少。

4 高溫加工性好,加工後美觀。

5 熔接性好。

鉻鉬鋼車架的優點

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。

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。

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。

**便宜

雖然有些高擋次的鉻鉬鋼車架**貴,但一般**便宜。也可以說,用便宜的**買到高擋次的車架。

鉻鉬鋼車架的缺點

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。

自行車的場合,管道的肉壓薄,生鏽後的影響將會非常大。生鏽→內壓減少→強度下降(應力集中)。

金屬的疲勞顯著(應力集中引起的金屬疲勞)

若使用內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。對自行車來說,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自行車的壽命。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製造車架。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。結果自行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))

鋁材料概述

很久以前就有用鋁合金製作的車架。輕而**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。自行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

6061合金的機械特性

熱處理 t5 t6 t83

伸長強度 (mpa) 190 246 260

耐力(mpa) 148 218 246

伸長(%) 12 12 11

剪斷強度(mpa) 119 155 155

布氏硬度 60 73 82

疲勞強度(mpa) 67 67

7005,7075合金的機械特性

合金名稱 7005 (7003) 7075 t6

熱處理 t53 0 0 t651

伸長強度(mpa) 345 230 597

耐力(mpa) 305 107 526

疲勞強度(mpa) 130 163 163

伸長(%) 17 11

e(gpa) 74 74 74

車架大小標準

參加自行車運動,最重要的器材莫過於您的坐騎——自行車了。

車架作為整個車子的骨架,最大程度地決定、影響了你騎行姿勢的正確性和舒適性,所以選擇乙個合適的車架是至關重要的。

度量身體個部位長度和計算車架尺寸的公式,供大家參考使用。

1. 測量大腿長度

測量時最好穿騎行服,站於水平硬性地面,並由一人輔助。身體直立,兩腳間隔約十公分。用書本或其他類似的東西平置於襠部,並向上施加小於坐車座的適當力度,測量書本頂部至地面的距離:

2. 測量身長

姿勢與步驟1相同,測量鎖骨之間v字槽底部至書本上端的距離:

3. 測量臂長

水平站立,平伸手臂、掌心向前,測量從虎口到肋骨所在平面的距離.

4. 測量肩寬

直立,放鬆兩臂,測量肩關節處的寬度s

以上尺寸每個測量三次,取平均值

根據以上資料可以得到你所需要的車架尺寸:

公路車架尺寸=i*0.67(cm)

山地車架尺寸=(i*0.67-11.0)*0.394(英吋)

把立長度=[(t+a)/2+x]-et

公路車x=4;山地x=8;et=effective top tube length(車架上管有效長度就是第一張圖中的「o」)

你所適合的曲柄長度:腿長範圍(cm) 曲柄長度

65cm - 70cm 165mm

71cm - 76cm 170mm

79cm - 81cm 172.5mm

82cm - 90cm 175mm

彎把寬度:(彎把的寬度是指中心至中心的長度)

肩寬範圍s 把寬cm

38cm 38 - 40

39cm 40

40cm 40

41cm 40 – 42

42cm 42

43cm 42 – 44

44cm 44

45cm 44

46cm 44 - 46

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