Quel matériaux pour son cadre ? Acier, aluminium, titane, carbone ...

Puisque les lecteurs de passionveloblog.com s'intéressent à la technique et aux matériaux, voici pour les satisfaire un bref survol des principaux matériaux utilisés dans la fabrication de cadres de bicyclettes.

Les fabricants de vélo emploient un éventail de matériaux pour fabriquer les cadres de bicyclettes, bon nombre d'entre eux son maintenant très sophistiquées. Le but est toujours de faire le cadre le plus solide et la plus léger possible au meilleur coût. La majorité des cadres de vélos sont faits d'ALLIAGE , il existe des alliages d'acier, d'aluminium et de titane. Techniquement parlant, un alliage est un métal auquel on a intégré d'autres éléments dans le but d'en améliorer les propriétés et la performance


ACIER

Voici le matériau "traditionnel" avec lequel ont été fabriqués depuis des décennies. Cependant, à notre époque il existe plusieurs types d'aciers, avec des propriétés fort différentes. Que l'on pense aux vélos chinois et tès lourds, aux aciers de "ère spatiale" à la fine pointe de la technologie, qui sont très solides et légers. L'acier a perdu un peu de popularité ces dernières années, en partie parce qu'il est plus "facile et plus pratique" pour les usines de production de masse d'utiliser des gros tubes d'aluminium avec leurs équipements robotisé. L'acier lui, en particulier sur les cadres "haut de gamme", nécessite plus "d'intervention humaine" dans la fabrication d'un cadre, et ces travailleurs spécialisés coûtent plus cher qu'un robot lors de la fabrication d'un cadre. Généralement, à cause de sa relative "souplesse", un cadre en acier sera plus confortable à rouler, absorbant mieux que l'aluminium les vibrations et trrous rencontrés sur la route. Un désavantage toutefois pour l'acier : les risques de rouille du cadre. Mais si le cadre est bien entrenu, un bon cadre d'acier peut durer des décennies, et surtout l'acier ne se "fatigue" pas comme l'aluminium. Plus grande durée de vie utile.


ALUMINIUM

Un grand nombre de vélos produits massivement en usine sont maintenant fabriqués à partir de l'alliage d'aluminium. Les fabricants disent qu'ils le font parce qu'il est léger , mais il n'est pas nécessairement supérieur aux meilleurs alliages d'acier. Les tubes d'aluminium sont plus épais que ceux en acier, du fait de leur épaisseur et de leur diamètre, les cadres à d'aluminium sont généralement plus facile sont ainsi plus facile "techniquement" à fabriquer un usine, ou le travail se fait essentiellement par des "robots soudeurs", ce qui explique en partie le choix de ce matériau dans les usines de production à grande échelle.Un des avantages de l'aluminium sur l'acier, c'est qu'il ne rouille pas. Toutefois, qui qui vit en pays "de neige", l'utilisation d'abrasif routier en hiver, comme le "sel" peut avoir un effet négatif sur l'aluminium (c'est particulièrement vrai pour les cadres non peints. Un cadre en aluminium est généralement plus "rigide" qu'un cadre en acier, ce qui peut paraitre paradoxal, car l'aluminium est un métal plus "mou" que l'acier, la rigidité supérieure de l'aluminium vient essentiellement du diamètre plus gros des tubes du cadre. Cette "rigidité" plus grande se traduit par moins de flexion dans le cadre, moins de "perte d'énergie" dûe à cette flexion, et souvent un meilleur rendement au pédalage. Mais tout n'est pas "parfait avec l'aluminium, car il est démontré que c'est un métal qui "fatigue" plus vite que l'acier. Ce qui explique en partie que certains fabricants limite la garantie sur leurs cadres en alu à 5 ans.


TITANE

Le matériau de rêve...pour qui peut se le permettre, car il s'agit là d'un matériau coûteux. Il est plus léger que l'acier et que l'aluminium, il est très fort, et il ne rouille jamais, il ne "fatigue" pas comme l'aluminium, et il constitue un bon équilibre "rigidité vs souplesse". Le principal "désavantage" du titane : son prix très élevé, car il est plus difficile de couper et de souder des cadres de titane. C'est pourquoi ce matériau "idéal" est hors de prix pour la vaste majorité des cyclistes, dommage...


FIBRE DE CARBONE

On l'appel parfois matériau "composite"; il s'agit en fait d'un "moulage" de nattes de fils en fibre de carbone, intégré à une mélange de résine de type epoxy, un peu comme de la fibre de verre. La fibre de carbone est solide, résistante et légère. et parce que le fabricant peut choisir, lors de la fabrication d'un cadre (ou d'une fourche) quelle orientation donner aux fibres, et ainsi modifier les propriétés du produit final. Par exemple, un tube peut avoir des qualités de "rigidité" lorsqu'il subit un effort dans une direction, et de "souplesse" lorsqu'un autre effort vient d'une autre direction, Il existe plusieurs combinaisons ou "recettes" possibles, dépendants de l'objectif recherché. Le procédé de fabrication avec la fibre de carbone est relativement complexe, ce qui entraine des coûts élévés. Un petit "défaut" avec la fibre de carbone, et bien, suite à une grave collision, si le cadre "craque", et bien le cadre est souvent foutu.

(source : DocVelo)

Le titane a un autre défaut, il est très difficile a mettre en œuvre en général, pas seulement a souder, difficile a cintrer (lorsqu'on compare le Performer HR alu et le Titane, on voit bien la différence totale de construction, pas de cintrage de tube sur le titane, les courbes sont réalisées en soudant des petits morceaux de tubes droit or n'oublions pas que chaque soudure est un point faible potentiel car le métal a été chauffé ce qui affecte ses propriété mécaniques), difficile de réaliser des formes complexe (tube a diamètre variable, tube a épaisseur de parois variables, tubes de section ovale, triangulaire, carrée, cadre coque... formes réalisables en acier ou aluminium et ou le carbone est roi) -> en général les cadres titanes ont des formes peu sophistiquées, tout le contraire des cadres carbone.

...

Efficace et pas cher, c'est l'acier que j'préfère !

W-Jean-Marie a écrit:

TITANE

Le matériau de rêve...pour qui peut se le permettre, car il s'agit là d'un matériau coûteux. Il est plus léger que l'acier et que l'aluminium, il est très fort, et il ne rouille jamais, il ne "fatigue" pas comme l'aluminium, et il constitue un bon équilibre "rigidité vs souplesse". Le principal "désavantage" du titane : son prix très élevé, car il est plus difficile de couper et de souder des cadres de titane. C'est pourquoi ce matériau "idéal" est hors de prix pour la vaste majorité des cyclistes, dommage...

Surement pas : les pros peuvent se le payer, mais ils ne le font plus depuis longtemps ...

et aussi (en anglais dans le texte) par feu Sheldon Brown

http://www.sheldonbrown.com/frame-materials.html

ça date un peu en ce qui concerne le carbone, qui est maintenant mature, pour le VD en tous cas.

il y dit en particulier qu'il n'y a pas d'acier (ni d'alu ni de titane) "léger". Les alliages changent grandement les propriétés physiques mais tellement pas la densité, donc le poids.

es-tu sûr que l'aluminium soit plut lourd que le titane ? j'en doute

Masses volumiques (source wikipédia) :
aluminium : 2 700 kg/m3
titane : 4 500 kg/m3

Lu ici : Carractéristiques des matériaux pour les cadres

Citation :

Pourquoi utiliser du carbone sur un vélo ou ailleurs ?
Sachez que le carbone est 4 fois plus léger que l'acier, 2,5 fois plus léger que le titane, 1,5 fois plus léger que l'allu.
Si l'on fabrique six câbles avec la même masse de matières et que l'on suspend des poids jusqu'à ce que les câbles cassent on verra que :
-le câble en acier cassera sous un poids de 153 kg
-le câble en allu cassera sous un poids de 160 kg
-le câble en titane cassera sous un poids de 220 kg
-le câble en fibre de verre cassera sous un poids de 1250 kg
-le câble en carbone cassera sous un poids de 1370 kg
-le câble en aramide (Kevlar) cassera sous un poids de 2070 kg

jpl75 a écrit:

Surement pas : les pros peuvent se le payer, mais ils ne le font plus depuis longtemps ...

Sans doute parce que le confort et la durabilité, c'est pas le soucis des pros. Ils préfère gagner un tout petit peu en performance quitte à avoir un vélo fragile et inconfortable.
@Zythum : c'est intéressant ta citation, mais sur un cadre de vélo on est plus dans un problème de rigidité que de résistance (en tout cas avec l'acier)

Ça veut juste dire que pour un matériau plus résistant il faut mettre moins de matière… donc si le rapport entre les masses volumiques n'est pas trop défavorable… le cadre est éventuellement moins lourd pour une même résistance.

Le titane a commencé par être utilisé, il y a 30 ans ?, sur des pièces comme les axes de pédalier ... et ça cassait ; il n'y avait pas de soudures ...

Aprés il y a eu quelques cadres ... Je me souviens en particulier de celui de Zulle pour un contre la montre, il était vrillé à la fin ; c'est sûr qu'ils ne cherchaient pas la durabilité

Je n'ai jamais entendu parler de fourches en titane ; si effectivement ça n'a jamais existé, c'est très significatif !!!

Des gens prêts mettre du pognon ds des machines, il y en a, et contrairement à ce qu'ils disent, ce n'est pas pour le coût que Bacchetta et Hase ont abandonné leurs modèles titane, mais parce qu'il y a eu de la casse et ça peut coûter cher aux constructeurs

Performer s'y met ; on va voir. Pour leurs trikes leur pub était assez marrante : au début ils vantaient leurs cadres alus légers ; l'année suivante, ils étaient en acier "plus durable"

Ce me fait penser à la mode des fringues ...

Ceux qui n'ont pas de pognon à foutre en l'air n'ont vraiement pas de regrets à avoir à cause du titane

Au passage, j'en profite pour citer l'article de feu Sheldown Brown, alors qu'il parle de la conception proche de la perfection du cadre en double-triangle (ou « diamant ») pour les vélos droits :

Citation :

If there is to be any major improvement in frame design, it must come either from a completely different type of construction process, such as carbon fiber, or cast magnesium; or a completely different type of design, such as a recumbent.

(traduction : s'il doit y avor une amélioration importante dans la conception des cadres, cela doit venir soit d'un processus de fabrication complètement différent, comme avec la fibre de carbone ou de la fonte de magnésium, soit d'une conception complètement différente, comme un vélo couché. )

On dirait que ce bonhomme avait oublié d'être con !

Bonjour,

dire que l'alu ne rouille pas est certes vrai mais il corrode, et ce, beaucoup plus facilement que l'acier (potentiel galvanique plus faible)

la rouille est le nom commun donné à l'oxyde de fer
l'oxyde d'alu est blanc

le potentiel galvanique du carbone et du titane sont, eux, très élevés
les associations alu/carbone ou alu/titane, ou pire, magnésium/carbone ou magnésium/titane sont catastrophiques. Les seuls moyens de protéger l'alu efficacement (chrome 3 et 6) sont cancérigènes donc interdits.
Même l'aéronautique qui avait une dérogation est en train de la perdre et la recherche de solution de remplacement mobilise de très nombreux ingénieurs et chercheurs.

dire que l'acier ne vieillit pas n'est pas non plus exact : il fatigue 2.6 fois moins vite que l'alu d'après les essais chez Airbus

il y a même de la fatigue sur le carbone époxy : tout est dans le niveau de sollicitation
sur les ailerons A380, en cours de développement, il a fallu trouver des méthodes de calcul pour la fatigue sur composite carbone époxy suite aux résultats d'essais.
il fatigue juste beaucoup plus lentement que les métaux, et à sollicitation plus élevée

si on veut comparer des matériaux, le mieux est de comparer des caractéristiques mécaniques spécifiques (ramenées à la densité)
c'est à peu près ce qui est fait avec la comparaison des cables
attention cependant : à la lecture des résultats donnés, on abandonne le carbone pour le kevlar
Or le kevlar est très bon en traction mais très mauvais en compression, en usinabilité, en reprise d'humidité, et carbone ne veut plus rien dire depuis longtemps : il existe des centaines de fibres différentes plus ou moins raides, plus ou moins solides, en fonction de l'usage, des moyens financiers, ...
Certaines fibres de carbone dépassent le kevlar en traction.
sans compter que le type de semi-produit utilisé (tissu, unidirectionnel, tissé 2.5D, tissé 3D, tresse, ...) et le procédé (pré-imprégnés, voie liquide -RTM ou infusion-, autoclave, étuve sous vide, ...) influent énormément sur le résultat.

ciao
3L

Fleur a écrit:

Le titane a un autre défaut, il est très difficile a mettre en œuvre en général, pas seulement a souder, difficile a cintrer (lorsqu'on compare le Performer HR alu et le Titane, on voit bien la différence totale de construction, pas de cintrage de tube sur le titane, les courbes sont réalisées en soudant des petits morceaux de tubes droit or n'oublions pas que chaque soudure est un point faible potentiel car le métal a été chauffé ce qui affecte ses propriété mécaniques), difficile de réaliser des formes complexe (tube a diamètre variable, tube a épaisseur de parois variables, tubes de section ovale, triangulaire, carrée, cadre coque... formes réalisables en acier ou aluminium et ou le carbone est roi) -> en général les cadres titanes ont des formes peu sophistiquées, tout le contraire des cadres carbone.

Sur le Tica,de M5, le cadre est cintré, les soudures sont splendides et, à l'époque la version Titane carbone était bien moins chère que le tout carbone.
Ce matériaux est assez génial, il ne s'altère quasiment pas est confortable et nerveux.

figaro a écrit:

Fleur a écrit:

Le titane a un autre défaut, il est très difficile a mettre en œuvre en général, pas seulement a souder, difficile a cintrer (lorsqu'on compare le Performer HR alu et le Titane, on voit bien la différence totale de construction, pas de cintrage de tube sur le titane, les courbes sont réalisées en soudant des petits morceaux de tubes droit or n'oublions pas que chaque soudure est un point faible potentiel car le métal a été chauffé ce qui affecte ses propriété mécaniques), difficile de réaliser des formes complexe (tube a diamètre variable, tube a épaisseur de parois variables, tubes de section ovale, triangulaire, carrée, cadre coque... formes réalisables en acier ou aluminium et ou le carbone est roi) -> en général les cadres titanes ont des formes peu sophistiquées, tout le contraire des cadres carbone.

Sur le Tica,de M5, le cadre est cintré, les soudures sont splendides et, à l'époque la version Titane carbone était bien moins chère que le tout carbone.
Ce matériaux est assez génial, il ne s'altère quasiment pas est confortable et nerveux.

oui, mais il est cher a l'achat, et a la fabrication... donc, au final...
tout le contraire de l'acier qui, lui, a le désavantage d’être lourd.
l'alu est plus facile a travailler, mais il est un peu plus cher que l'acier, et plus difficile a souder si je ne me trompe.
la carbone, c;est tout simplement la porte ouverte a toutes les fantaisies cosmétiques.. mais a quel prix!
après, le bois a un intérêt écologique, mais pas mécanique: on obtiendra jamais avec du bois les performances d'un métal. (ou alors ce sera un BGM de quatrième génération! )
perso, si je devais concevoir un cadre a base de bois, je pense que je m'affranchirais du concept tubulaire du cadre.

voila pour ma contribution au topic.

il me semble que si on ne gagne pas toujours enormément de poids avec l'alu par rapport à l'acier, c'est surtout à cause de la fatigue destructive qui survient dans l'alu à des niveaux de contraintes répétées de relativement faibles valeurs par rapport aux contraintes de rupture statique dans ce matériau. Du coup, la conception du cadre fait intervenir des tubes de plus forte section mais aussi avec une écorce beaucoup plus épaisse que ceux en acier. Les tubes de cadre acier de qualité ont des épaisseurs variables entre 1mm et 0.6mm. Pour abaisser le seuil de fatigue en réduisant les contraintes dues aux petits chocs et aux vibrations qui accompagnent le roulement , les tubes alu sont bien plus épais que ça, je dirais autour de 2 ou 3mm. Du coup, le vélo n'est pas si léger et il devient plus raide et inconfortable. Certains constructeurs proposent des VD alu à 7,5kg, donc compétitifs par rapport au carbone. ça m'étonnerait que leur cadre soit extraordinairement solide et durable, notamment du point de vue résistance à la fatigue. Par contre, pas moyen de faire un vélo acier à ce poids là.

Pour le titane, je crois me souvenir que la contrainte de rupture est élevée ce qui n'oblige pas à mettre des quantités de matières trop importantes. Le matériau n'étant pas plus rigide que l'acier (module d'Young etc), il a du y avoir des cadres "guimauve" quand on cherchait à faire trop léger, mais si on met des quantités suffisantes, ça peut être raide aussi.
Les possesseurs de Tica M5 sont généralement heureux de leur beau vélo, qui semble bien vieillir. Ce ne sont pas les caractéristiques matérielles qui pénalisent le titane, mais plutôt les conditions économiques de sa production; le matériau restant rare. C'est quand même l'usage intensif du carbone qui permet aux meilleurs VH de limiter peu à peu les dégâts par rapport aux VD en termes de poids. Le bambou est sympa, mais sans doute pas très démocratique question prix. Dommage, l'idée est plaisante : tous transformés en pandas !

concernant le carbone ..je rapporte a qq chose près le commentaire d'un directeur sportif de coureurs du TDF
suite aux gamelles..
d'après lui le tout carbone:cadre et roues fournit un velo rigide et qui en cas de nécessité de contrôle extrême..changement de coube brusque
a tendance a aller tout droit et a ne pas suivre les sollicitations du pilote
Papy volant

...

En principe on cherche toujours à alléger les masses non suspendues , donc est-ce la légèreté ou la rigidité qui fait que cela rebondit ? j'aurai tendance à dire la rigidité...

J'aurai tendance à dire que le vélociste en question dit de la merde.

bandicoot a écrit:

Marrant, mon vélociste VD habituel me dit toujours que les VD carbones trop légers ne tiennent pas la route et sont de vrais problèmes au niveau de la sécurité et de l'équilibre. Trop légers=rebondissent sur les obstacles de la route et causent pertes de contrôle et d'adhérence. D'où la réglementation de l'UCI qui impose des minima en poids... Donc il y aurait une limite inférieure dans la recherche de la légèreté.

y'a longtemps que ton velociste n'est pas monté sur un vélo?
en Vd:
actuellement ,on trouve des velos 20 vitesses a 5.1kgs..
légèreté obtenue au détriment de la sécurité (bris de guidon,cadre,potence,roues sur des chocs ou par fatigue).
d'où la limite inferieure


les roues profilées ou semi profilées ont tendance a relever le velo dans les virages (inertie, force centrifuge ou un phénomène
physique innérant ..) Et de ne pas encaisser les chocs et donc rebondir sur les creux-bosses.
c'est peut etre de ce cas que veut parler ton mecano?

Sur 50 kms un cadre ultraligt/rigide carbone est un atout.
sur 150 kms seuls,des coureurs peuvent exploiter les qualités de ces velos ,sportifs jeunes et en pleine forme sans pathologie naissante...
les autres ,se font secouer et perdent dans l'absence de confort tous les bénéfices de la rigidité au profit de l'amour du beau matos et du look..
bref,ils ressemblent a des coureurs et ca c'est vachement important!!
si par hasard,la bête qui s'est endormie en eux se réveillait!

d

d'accord avec armandos et sparv.
les minimas UCI, c'est pas pour des histoires de tenue de route, c'est bien pour empêcher les constructeurs de faire des cadres trop légers.

...

Dans cette vidéo, >>> http://video.google.com/googleplayer.swf?docid=3741362681682291899

un camion Ford F250 équipé de 4 roues motrices roule sur un tube de cadre de bicyclette en carbone et détruit complètement ce tube.

Il roule ensuite sur un tube de cadre de bicyclette en aluminium et l'aplatit complètement.

Au final il roule sur un tube de cadre de titane, mais ce tube titane résiste et ripe et finalement passe sous la roue sans aucun dommage.