钛、钛合金（Ti,Ti-Al-V)
美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是「轻而硬」。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者Big reces, Time traial等需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷，曾经有些热中于轻量化的骑手，把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。
金属钛比重轻、强度大，同时耐腐蚀性高的材料，一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高，热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。
钛合金的机械性能
合金名称
区分
拉伸强度(MPa）
耐力（MPa）
伸长（％）
E(GPa）
纯钛
JIS 3种
480～620
345
18
105
Grade 4
550
480
15
PTT800
800
―
―
UTT75
750
―
―
3-2.5Ti
退火
685
590
20
―
6-4Ti
退火
980
920
14
110
时效处理
1160
1100
10
●钛合金车架的优点
(1).可以制作轻量而强度大的车架
纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计。
(2).不生锈：钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。但是它有另一种腐蚀现象即异种金属腐蚀。例如，不同种类的合金接合在一起时，成为电极状态，电位差使局部通电引起腐蚀。对此现象采取的措施是用脂膏等来绝缘(混有金属粉末的脂膏，如商品名：Ti Plepu等)。这种金属粉末防止脂膏流失，即使流失后也用来防止紧密接触。这种金属粉末有导电性也不要紧，接触后被较小的荷重破坏掉。这种现象称为「粘住」，它和「烘焙」是不同的。
「粘住、咬合」：金属之间通过腐蚀来接合的现象。
「烘焙接合」：加工金属时所产生的热量来溶融接合。
(3).骑感好
钛也用在避震器的弹簧上。现在用钛制成的车架适合于长时间的骑行。有些车手酷爱钛制车架，认为骑感{jj0}。但是个人各异，有人和铬钼钢比较后认为，铬钼钢的车架冲击吸收性比钛车架好，骑感也比钛车架好(这和铬钼钢车架的形状以及用薄的管的结果应力得到增大也有关)。假若钛管的加工技术得到进一步改进，也许会有和铬钼钢同样的骑感。
有些钛制车架使人感到摇摆，这也许是使用plane管(没有加padded的，厚薄不能变化的管)有关。或者虽使用高强度的钛合金，但没有用薄的管等也有关系。
●钛合金车架的缺点
价格高。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。由于以上原因钛车架价格很贵。
近来有些铝合金车架比钛合金车架价格贵，这说明钛合金车架的价格下降了。其因是冷战结束后军费缩小，钛的用量少了；优秀的技术员开始用钛来制作车架；制作钛车架的成本降低等原因。
碳纤维 （CERP)
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题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其它素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。
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(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。(右图)COLNAGO牌的碳纤维车架，2万多元)
●碳纤维车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的。
捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重
(2).冲击吸收性好
碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是xx的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。
(3).可以制造各种形状的车架
碳纤维的基本成型方法是，在模具上铺上纤维片然后流入树脂并烧固。可以制成各种形状的车架。如TREK的Y车架是xx的。
●碳纤维车架的缺点
(1).复杂的应力计算
构成碳纤维车架的是碳纤维，它的特点是拉伸强度强，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。加工技术各厂家各异，应选择有经验而可靠厂家的制品是很重要的。
(2).难于更改尺寸
由于作好模具后成型，难于更改尺寸。无法相应多尺寸多款式的订单。
(3).老化？
使用树脂因此会不会老化？这是一个存在的课题，它放置在阳光下时会逐渐变白。当然这种现象关系到厂家的技术。{zh0}不要放置在阳光下。
金属为基体的混合物（M2，MMC)
金属为基体的混合物是在铝素材中混入陶瓷粉末或者纤维等物体，使它析出增强，制造出强度大的材料。它的强度比铝合金强许多，是一个新的素材。有的混入氧化铝粉末。M4指的是再多加入两种合金，用这种材料制成的车架冲击吸收性更好。
●金属为基体的混合物车架的优点
(1).可以制作重量轻的车架
它和铝合金比较，拉伸强度大，极薄的管也能保持强度，因此车架很轻。这种轻是有刚性的轻。
(2).刚性高
如SPECIALIZD的M2车架使人感到很结实，管的直径也大，刚性也好。
●金属为基体的混合物车架的缺点
(1).焊接
关于这方面的资料很少，看实物焊珠部分正常，但是GUSSET就年年大型化。补强的目的是什么？尚未清楚。陶瓷粉末在铝母体中均衡地存在，进行焊接时陶瓷粉末能否均衡分散是个非常困难的事，能获得何等程度的机械强度是大家所关心的事，总之，由GUSSET补强已达到相当的水平。
(2).冲击吸收性差
关于这一点很多人有同样的感觉，前部有避震器因此个人的感觉会有差异，但是后部非常明显，冲击力太大，会腰痛的。该材料的车架不适合于长途骑行。但是在时间短的比赛中能发挥威力。
镁合金
镁的比重很轻(1.74)，约铁的1/5，钛的2/5，铝的2/3。它是不容易腐蚀的活性金属。它广泛用在各种领域里，如照相器及电脑的外框、车辆的车圈等配件。通过合金化耐腐蚀性也得到进一步提高。
●镁合金车架的优点
(1).可以制造重量轻的车架
它比铝密度低，可以制造轻的车架。杨氏弹性模量稍微低些，但是可以用加粗管直径及椭园化等方法来解决。使用铝合金的目的仅仅是为了减轻重量，将来可能会被镁合金取代？？钛和镁的研究课题稍不同，这两种金属今后仍然会活跃下去。
(2).加工性好
镁制车架加工不会差。切粉的燃烧、爆炸等能够通过合金元素来回避的话，剪断、溶接性可能不会差。和钛比较起来加工性好。
●镁合金车架的缺点
(1).耐腐蚀性如何？
生产镁车架的厂商都说耐腐蚀性好。但是这方面的资料当前还很少，耐腐蚀性好到何种程度难于判断。镁是剧烈氧化的金属，不小心操作错了很容易爆炸，纯镁一般不能使用，添加其他金属(铝、锌、锰等)制成合金来使用，制成的镁合金强度、机械性能都得到提高。有些人曾经使用过镁合金制用具，如摩托车的曲柄套等、他们说：「虽然用了很久，但是很好，不会象铝般发白。
(2).镁的杨氏弹性模量(决定刚性的因素)比铝低许多，要增加其刚性管的直径要大，这可能会影响对空气的阻抗？。
(3).成本如何？镁已经用在笔记本电脑的框体上，用它来制作车架成本将是如何？现在尚未知。
锻造和铸造
制造自行车的部件要经过锻造、铸造、切削、研磨等加工过程，在此简单介绍锻造和铸造。
锻造：锻造是把棒状、板状等的铁锭加热，然后用锤子打，或者用油压等加压成形。用这个方法加工的比起铸造在拉伸强度、粘性强等方面好许多，可以制成非常好的制品。强度大而薄，材料的浪费也少。是一个很好的加工方法。如剑是用这种方法加工的。缺点是价格贵，不适合于大量生产，加工复杂形状的困难等。
铸造：铸造是把金属溶融后注入模具中冷却成形。它的优点是可以制造复杂形状的物体，适合于大量生产，价格便宜。如压铸加工可以制造强而复杂形状的制品(照相器的机体、铝制车圈等等。但是强度远远比不上锻造。不能进入模具部分的材料浪费(当然这些材料以循环使用)。
锻造
铸造
单件的成本
高
便宜
强度
比较强
比较弱
用在自行车上的制品
高级曲柄
廉价配件
材料和环境
何谓腐蚀：腐蚀是金属和环境之间科学地相作用的结果改变了金属的性质，金属与环境，或者构成它们的一部分实用体系机能受到了损伤。简单地说金属表面变质了。对自行车来说金属表面受损伤时会引起生锈，其中铬钼钢车架最为明显。腐蚀自行车的{zd0}原因是下雨，尤其是酸雨的腐蚀性最励害。
铬钼钢和环境的关系
涂漆加工粗糙以及没有防锈加工的车架，铬钼钢管表面和涂漆之间开始腐蚀，涂漆部分彭胀起来，或者局部受到腐蚀。若发现自行车受伤，建议把受伤部位擦干净并用锤刀搞平伤口，防锈加工后涂漆。总之伤口是腐蚀的{zd0}原因。
另外，发生应力多的部位也容易生锈，如焊接周围，弯曲部位等。廉价的自行车，焊接后没有热处理(xx应力退火)就出货，这种自行车若发生生锈，局部或整体不断地腐蚀下去。
铝和环境的关系
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Υ-A1203(氧化铝)，用滚水或蒸气处理，封住其孔(如禧码诺XT.XTR)。氧化铝非常耐腐蚀，不被一般的酸溶解(如盐酸、硝酸等)，只能溶在氟酸等强酸。它也使用在研磨剂里，不可见它的耐腐蚀性极强。
碳纤维和环境的关系
碳纤维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，它用树脂因此树脂老化的可能性是存在的。碳纤维制自行车不使用时应该避开阳光，日光和环境的温度对它的影响{zd0}。
钛和环境的关系
耐腐蚀性{jj0}(被使用在和原子能有关的部门)，不怕雨水、不怕受伤、沾上水滴也不用抹干净。用这种材料制作自行车实在浪费？？但是钛也有缺点如前述(异种金属腐蚀)，如铝制配件和钛制配件接合在一起时逐渐被腐蚀掉。
除了钛之外，其他金属之间也会发生异种金属腐蚀，尤其是坐管部位，例如，把铝制坐管和铬钼钢车架接合在一起而不管它时，接触面变成褐色，甚至于无法把它们解脱下来。
金属的疲劳度
自行车和疲劳
制作自行车车架的材料有铬钼钢、铝、钛、碳纤等。其中用最薄的管来制作的是铬钼钢车架。它的加工性好，材料便宜，骑感好，但它必需制成薄壁管，这种薄壁的管会有较高的拉伸强度和加工性。
铬钼钢的强度较容易逐渐减弱，也就是较容易疲劳的现象表现在如下。
(1).同样的冲击力加在各种材料上，铬钼钢薄管所发生的应力{zd0}(容易发生疲劳而引起的破坏)。
(2).对铬钼钢的研究的历史较长，{zd0}限制地利用它的特性制成极薄壁的管，应力虽然发生的各个局部部位，但是对整个管来说会发生较高的应力。
(3).由生锈引起的全面腐蚀将会引起管壁的变化，结果这个现象又提高了应力，引起疲劳破坏。
(4).应力集中在局部而生锈、或者外伤引起的凹处，从该处引起疲劳破坏。
(5).参加比赛时产生的冲击，使车架发生较高的应力，使用的次数越多，疲劳破坏也逐渐增多。
以上主要是针对铬钼钢，但是近来铝合金制的车架发展迅速，有许多用薄壁的铝管制作的车架，它们是否上述的铬钼钢制车架一样，发生疲劳破坏呢？尤其是铝没有耐疲劳限度，很小的应力也必定会产生破坏。其应力越大破坏所需时间越短。现在所出售的极薄壁管的铝制车架，厂家都未明确注明其寿命。
焊接和疲劳
铬钼钢车架的焊接使用银焊料的焊片焊接较多。铬钼钢管是在再结晶温度下焊接，因此管的强度不会降低，也不会变质。但是所使用焊片加重了管的重量。
钛管是使用前述的Tig溶接，焊接时所使用的不活性气体的水蒸气、或者不纯物体在溶接时混入的可能性是存在的，这些事可能将成为引起疲劳破坏的原因。溶接不良使得应力集中在溶接部位，也会引起疲劳破坏。
刚性
曾经多次提过决定刚性的重要因素是杨氏弹性模量，但是管的外径也会影响刚性。
{zd0}剪断应力
车手骑在自行车上面时，复杂的应力加在车架上面。尤其是转向握把，或者站立骑行而使车子摇摆时，假若车子的刚性不足时，骑起来很不舒服的。车架的刚性够不够往往是在这种场合被议论。在此着重讲一讲复杂的应力中，在管道上施于扭等动作时的转矩的情况。在转矩存在的状下，{zd0}剪断应力发生在管的外周，它的公式加下。
在此τmax是{zd0}剪断应力，M是给管道的外来荷重，Do是外径，Di是内径。所发生的{zd0}剪断应力由外来的荷重和管的外径、内径所决定。从这个公式可以设想：材料本身固有的数据之外，改变外径、内径来得到所能承受的{zd0}荷重。
下述公式表示管道所能承受的外来荷重。
刚性比、重量比
在此简单说明加倍外径、内径时的刚性及重量的变化。重量比的计算结果为4倍。2φ表示外径、内径为2倍。
刚性比的计算结果如下所述8倍。
从上述计算结果可知，改变外径时重量加大到4倍，强度增加到8倍，效果还是很大的。利用这种方法也有限度的，外径过于大时对于外来的压力会增加面法线的压力成分，如金属表面容易凹进去(象啤酒的罐般)。
车架的寿命
车架强度的探索
车友们，希望你的自行车能用多久？除非有经济条件许可者追求新款式自行车之外，一般都希望能使用越久越好。在此主要记述影响车架强度的金属疲劳问题。
在前面已讲过自行车的金属疲劳是不可避免的现象。具体地说：影响{zd0}的是，加在管上的应力、管的材料、疲劳极限。
设计自行车管道时，增加应力的话，不得不增加管壁的厚度。疲劳极限高而薄管壁的加工方法，目前主要采用Padded加工方法，这种方法是：发生集中应力的部位如接合部位，按理应增加该部位的厚度，但是不增加厚度，代替它的方法是，减少应力小的管道的中心部位的管壁的厚度。在此举几个薄壁管道的例子。
高级铬钼钢管：中央部位的管壁厚度为0.5mm。Dedacciai公司的{zgj}铬钼钢管的管壁厚度为0.4mm。
铝制车架：Dedacciai公司的{zgj}铝管SC61-10A的管壁中央的厚度为0.8mm。{zpy}的铝制车架的管道的厚度为1.8～1.3mm，可见Dedacciai公司的{zgj}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。另外，在钛制车架方面最xx的美国Litespeed公司，该公司的广告用语是：我们的钛合金的疲劳寿命可达到铝、铁的5倍。
作为自行车运动爱好者来说，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，薄料的车子有什么用呢，当然专业选手就不同了，他们有练习用车及比赛用车。是否能够维持性能特性的车架应成为选择车架的条件？
车架的外观
容易生锈的自行车让人讨厌，虽然小心爱护自行车，但是总是会生锈，爱护车的人看到这种现象很心痛的。因此人们寻找不会生锈的自行车如铝或钛制自行车。
笔者心目中的理想的自行车
●材料的选择
已经介绍了几种自行车材料，总地来说，骑感好的是铬钼钢制的、要轻的是铝制的，冲击吸收性{zh0}的是碳纤。钛合金制的上述各种性能都不是{zh0}的，但是为什么对它感兴趣呢？因为它是有前途的金属。
●铬钼钢已经使用了很久，对它的研究也最多，除非有什么突破，铬钼钢的前途可想而知的了。使用适正厚度的管道时重量是会增加，但是不容易引起金属疲劳，这种车能带给车手{jj0}的骑感。有些自行车竞技必需用铬钼钢制的车子，因为它很结实，容易操作。这种车子才是铬钼钢本来的面貌。有些薄壁的铬钼钢车子，金属表面很容易凹进去，那种车子是不行的。单纯地追求薄壁的管道的现在，铬钼钢应该走自己的道路，充分发挥其优势，否则很可能被其他材料淘汰。
●自行车用铝管，当前的设计方针很危险，铝是没有疲劳极限，为了降低应力应该增加厚度。但是为了单纯地谋求薄壁，使用强勒的新合金来制作车架。从外观来看这些制品使人引起很不错的错觉，但是疲劳寿命将是如何呢？铝管的薄壁程度已经到了极限，不可能再薄下去。结果它的命运将和铬钼钢一样。进一步来说，骑车摔倒时，因它塑性变形量少，破断时很可能发生一口气的脆性破坏。今后铝制自行车向那一个方向发展呢？我认为可能会成为比赛专用自行车的素材。若用铝制自行车来练习，一定会感觉到性能的降低显著。
●碳纤维制自行车是有前途的，通过应力计算会找到最适合的加工条件。另外是信心问题，假若厂家应该提供可信赖的割裂、耐用等数据时，需要量会增加。当前尚存在各种问题。
●钛管还有发展的余地，强度可能会超过铬钼钢，现在已能制造1.5kg的车架，将来一定会出现1kg的车架，钛必定会夺去铝的"轻量王"的宝座。另外，钛不需要涂漆，可减少这部分的重量(20～40g)。将来最理想的是钛制自行车？这只是纸上谈兵，和车友们一起探讨。笔者所选择的钛合金是下述的β合金Ti-15Mo-5Zr-3Al (在TI中添加15%的Mo，5%的Zr，3%Al)。
其他材料如镁、不锈钢等不在此记述。这些材料也许将来会有新的突破也说不定。
在此例出各素材的拉伸强度，从下表可知笔者所选的钛合金是多么优秀。
合金名称
拉伸强度（MPa）
伸长（％）
PTT800(纯Ti)
800（通常纯Ti为550）
＞18
Ti-3Al-2.5V
685
＞20
Ti-6Al-4V
1160
10
SCM415
＞830
＞16
Ti-15Mo-5Zr-3Al
1470
14
