Matériaux de cadre de vélo comparés : alliage vs carbone vs acier vs titane

Comment choisir le bon matériau de cadre pour votre prochain vélo

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Par Paul Normand

Publié : 8 novembre 2021 à 15 h 00

Choisir le matériau à partir duquel vous souhaitez que votre cadre soit fabriqué est l'une des décisions clés à prendre lors de l'achat d'un vélo.

Les cadres de vélo ont été fabriqués à partir d'une variété de matériaux différents au fil des ans, l'acier dominant à l'origine. Aujourd'hui, le choix principal se situe entre l'aluminium et la fibre de carbone, bien que l'acier et le titane soient toujours courants.

Chaque matériau de cadre a ses avantages et ses inconvénients, en fonction de vos priorités en tant que cycliste, y compris le poids, le budget, la longévité et les caractéristiques de performance que vous attendez du cadre et, par conséquent, du vélo.

Quelles sont les principales propriétés de l'aluminium, de l'acier, du titane et de la fibre de carbone à prendre en compte lors de l'achat d'un vélo ?

Nous avons parlé à deux experts pour le savoir : Richard Lambert du spécialiste britannique des vélos en titane et en acier Enigma, et Liam Glen, un ingénieur en mécanique qui travaille actuellement pour Airbus, en plus d'être un ancien cycliste professionnel et le vainqueur de la course de bikepacking Highland Trail 550 2021 (nous avons une galerie du Stooge Cycles Scrambler à vitesse unique de Liam).

L'aluminium est le métal de référence pour les cadres économiques à moyens, offrant une combinaison de faible poids, de rigidité et d'abordabilité difficile à battre.

Vous verrez souvent des cadres en aluminium appelés "alliage". En effet, l'aluminium pur serait beaucoup trop mou pour former un cadre de vélo, il est donc mélangé à d'autres éléments pour modifier ses propriétés physiques.

En fait, tous les cadres de vélo en métal sont faits d'alliages pour la même raison. L'acier est lui-même un alliage de fer et le titane est principalement allié à l'aluminium et au vanadium.

En ce qui concerne les cadres en aluminium, des numéros tels que 6061 et 7005 - les deux alliages d'aluminium les plus couramment utilisés - sont un code pour les additifs (principalement du silicium et du magnésium) qui sont mélangés à l'aluminium pour former chaque alliage. Chaque « recette » a des propriétés légèrement différentes.

"Tous les métaux ont des rapports résistance/poids assez similaires", explique Glen. "Ce sont des facteurs tels que la largeur du tube et l'épaisseur de sa paroi qui sont plus importants que sa résistance."

Il est relativement facile de manipuler les tubes en aluminium pour leur donner différentes propriétés sur toute leur longueur et les tubes en aluminium sont généralement aboutés, pour assurer la rigidité là où c'est nécessaire et économiser du poids là où ce n'est pas le cas.

Les tubes de vélo, quelle que soit leur composition, sont généralement aboutés. Cela signifie qu'il est plus épais à ses extrémités, là où il y a plus de stress et où vous avez besoin de plus de matériau pour les joints aux autres tubes, alors qu'il est plus fin au milieu pour gagner du poids.

Les tubes à jauge droite sont cohérents dans leur épaisseur, avec des propriétés cohérentes à assortir. Les tubes à simple renfort sont plus épais à une extrémité (par exemple, à la jonction du boîtier de pédalier), les tubes à double renfort sont plus épais aux deux extrémités et les tubes à triple renfort réduisent encore l'épaisseur au milieu du tube.

L'emboutissage n'est qu'une partie de l'histoire et vous verrez souvent des cadres en alliage haut de gamme décrits comme "hydroformés", qui décrivent le processus d'adaptation de la forme d'un tube à l'aide d'un fluide à haute pression et d'un moule.

Les vélos en aluminium haut de gamme sont plus avancés que jamais et ce processus peut aider à former des formes complexes pour influencer les caractéristiques d'une partie particulière d'un cadre, y compris le poids, la résistance et le confort. La plupart des cadres en aluminium les plus récents arborent également des caractéristiques de conception aérodynamiques.

Les tubes en aluminium sont généralement soudés ensemble pour fabriquer le cadre. Une soudure brute peut être assez bosselée en apparence, mais elle est souvent lissée après le soudage pour un aspect plus propre sur les cadres haut de gamme. Cela permet également de gagner un peu de poids. Une fois qu'un cadre en aluminium a été soudé, il sera traité thermiquement pour redonner à l'alliage sa pleine résistance.

"Vous appliquez beaucoup de chaleur sur une zone localisée [lors du soudage], ce qui peut modifier localement les propriétés du métal et faire des soudures la zone la plus faible", explique Glen. Le revenu après soudage permet d'atténuer ce problème.

L'aluminium est le matériau utilisé pour la majorité des cadres de vélo moins chers, mais il reste un choix populaire pour certains cadres plus chers et axés sur les performances, à la fois sur la route et, en particulier, pour les vélos de montagne.

Bien que les propriétés exactes d'un cadre en alliage d'aluminium varient d'un vélo à l'autre, il est généralement relativement léger avec un haut niveau de rigidité, robuste et environ un cinquième du prix de la fibre de carbone.

Un cadre en alliage peut en fait être plus léger qu'un cadre en fibre de carbone à un prix similaire, bien que les cadres en carbone coûteux soient toujours plus légers.

L'aluminium est beaucoup moins dense que l'acier.

En conséquence, un cadre en aluminium peut être réalisé avec des tubes surdimensionnés pour atteindre un haut niveau de rigidité, avec des parois plus épaisses, tout en étant plus léger. Selon Ribble, l'épaisseur de la paroi du tube d'un cadre en alliage d'aluminium sera généralement le double de celle de l'acier, avec des diamètres de tube de l'ordre de 20 à 30 % plus grands.

Les cadres en aluminium avaient historiquement la réputation d'être inconfortables, en raison de la rigidité relative du matériau et du manque d'absorption des chocs, mais les dernières techniques de construction de cadre, ainsi que la tendance vers des pneus plus larges sur les vélos de route, signifient que de nombreux vélos en alliage offrent une qualité de conduite bien améliorée.

Alors que les cadres en aluminium offrent un équilibre impressionnant entre résistance, rigidité et faible poids, les alliages d'aluminium peuvent être sujets à la fatigue à long terme, contrairement à l'acier et au titane.

Cependant, les cadres en aluminium ont tendance à être moins sensibles aux collisions ou aux dommages accidentels que les cadres en carbone. En conséquence, l'aluminium reste un matériau de cadre populaire sur tous les vélos de montagne, tout en étant une option intelligente pour les coureurs privés sur route à petit budget.

"L'acier est réel", comme le dit le vieil adage, et était le matériau traditionnellement utilisé pour les cadres de vélo.

En fait, l'acier a été la base de la construction de cadres pendant environ 100 ans, même au niveau professionnel, jusqu'au milieu des années 1990, lorsque les cadres en alliage d'aluminium ont commencé à prendre le dessus - avec seulement un bref passage dans le peloton routier professionnel - et les premiers cadres en fibre de carbone ont été testés.

Il existe deux principales méthodes de construction pour les cadres en acier, utilisant ou non des pattes.

Les cadres à pattes voient les tubes fendus dans des pattes en acier moulé à leurs joints puis brasés ensemble. Les cadres sans cosses comportent des jonctions de tubes qui sont soudées ensemble ou brasées en filet.

La construction à pattes était autrefois courante, les cadres en acier classiques ayant souvent des pattes frettées très élaborées, mais le soudage a tendance à donner un cadre plus léger et il y a moins de nettoyage nécessaire qu'avec le brasage, ce qui entraîne généralement un excès de matériau au niveau des joints qui doit être enlevé par la suite.

D'autre part, selon Glen, le brasage nécessite une température plus basse que le soudage, il y aura donc probablement moins d'altération des propriétés de l'acier, ce qui conduira à un joint plus solide.

Comme les tubes des cadres en alliage d'aluminium, les tubes en acier sont généralement aboutés pour les rendre plus légers. Il y a plus de variété dans les formes de tubes dans les cadres en acier modernes, plutôt que dans les sections rondes d'autrefois.

La plupart des vélos en acier axés sur la performance sont fabriqués à partir d'acier chromoly, avec de l'acier à haute résistance vu sur des cadres bon marché et bas de gamme.

Différentes compositions d'acier ont des propriétés différentes. Reynolds 531 est un alliage classique utilisé pour les cadres de vélo, le 531 faisant référence à la proportion de manganèse, de carbone et de molybdène dans l'alliage.

Cependant, il existe désormais de nombreuses autres options de la part des fournisseurs de jeux de tubes, notamment Dedacciai et Columbus.

Lambert souligne la grande variété de compositions de tubes et de profils différents disponibles pour l'acier, ce qui, selon lui, n'est pas le même pour les autres tubes de cadre. Cela signifie que vous pouvez construire un cadre très robuste pour les randonnées ou un cadre plus léger, selon ce qui est choisi.

Les aciers inoxydables sont également une option. En moyenne, ils sont plus faibles que les aciers chromoly, bien que des aciers inoxydables spécialisés aient été développés pour la fabrication de vélos qui sont aussi solides ou plus solides que le chromoly, explique Glen.

Les principaux inconvénients de l'acier sont son poids et son coût. Il est plus lourd que l'aluminium et plus coûteux à fabriquer à grande échelle, ce qui garantit que l'aluminium reste l'option préférée pour la plupart des cadres de vélo en métal d'aujourd'hui.

Cependant, bien que l'acier soit beaucoup plus dense (et plus lourd) que l'aluminium, il est également plus solide et plus durable. Cela signifie que les constructeurs de cadres peuvent utiliser des tubes de plus petit diamètre et à paroi plus mince et maintenir le niveau de rigidité requis, bien que la pénalité de poids demeure.

Contrairement à l'aluminium - et, comme nous y reviendrons, à la fibre de carbone - il peut également être (relativement) facilement réparé s'il est endommagé.

De même, l'acier a également une limite de fatigue - il peut résister à une contrainte inférieure à sa limite de fatigue un nombre infini de fois sans entraîner de défaillance, là encore contrairement à l'aluminium, qui s'usera avec le temps.

Les propriétés d'amortissement naturelles de l'acier peuvent également se traduire par une qualité de conduite "élastique" - lire : confortable -, même si elle ne correspond pas au rapport rigidité/poids de l'aluminium.

Pour toutes ces raisons, l'acier est une option populaire pour les vélos de boutique et personnalisés, ainsi que pour les cadres de randonnée et de bikepacking, où le poids est moins préoccupant. L'acier offre une meilleure valeur que le titane, et la durabilité et la longévité sont essentielles.

Cela dit, les cadres en acier, à moins qu'ils ne soient en acier inoxydable, doivent être peints pour arrêter la corrosion externe et peuvent également être enduits à l'intérieur des tubes afin d'arrêter la rouille.

Le titane est souvent considéré comme une option luxueuse, en partie en raison de sa qualité de conduite et de son coût, ainsi que du fait qu'un vélo en titane est souvent présenté comme un "vélo pour la vie".

La plupart des métaux ont un nombre défini de cycles de charge avant de tomber en panne. Le titane est beaucoup plus résistant aux contraintes et aux déformations répétées, ce qui signifie que les fabricants de cadres qualifiés peuvent construire des cadres plus légers et avec plus de conformité sans risque de défaillance.

Comme les cadres en aluminium et en acier, le titane est un alliage et il existe également différentes qualités disponibles pour les constructeurs de cadres.

L'alliage AL3 2.5V (contenant 3% d'aluminium et 2.5% de vanadium) est le grade le plus couramment utilisé pour les cadres en titane. Le tube 6AL 4V est nettement plus solide - et donc plus difficile à travailler - et est parfois utilisé pour les cadres hautes performances ou les zones individuelles où la rigidité est essentielle, comme le tube de direction et le manchon du boîtier de pédalier.

Enigma, par exemple, utilise l'alliage 6AL 4V plus rigide et de qualité supérieure, également connu sous le nom de titane de grade cinq, pour ses vélos de performance, plutôt que l'alliage 3AL 2.5V (ou grade neuf) dans son cadre Etape plus conforme.

Les alliages de titane sont également très résistants à la fatigue, ce qui signifie qu'ils peuvent fléchir sans défaillance. Moots, par exemple, utilise le flex dans les bases en titane pour fournir une suspension sans pivot à l'arrière de ses cadres Mountaineer et Routt YBB.

Le titane présente des avantages distincts par rapport aux autres métaux pour un cadre de vélo. Il est moins dense que l'acier, donc un cadre peut être plus léger tout en ayant des tubes à parois plus épaisses. Un tube en titane pèse la moitié du poids d'un tube en acier de même résistance à la traction. Les jeux de tubes en titane d'Enigma ont généralement une épaisseur de 0,9 mm à leur point le plus fin, contre 0,5 mm pour l'acier.

Cela rend plus difficile la bosselure d'un cadre en titane et, comme le titane ne se corrode pas, le cadre n'a pas besoin de peinture, donc les rayures et les éclats ne sont pas non plus un problème. La finition brute typique des cadres en titane est également superbe, bien qu'il n'y ait aucune raison pour qu'un cadre en titane ne puisse pas être peint.

D'autre part, le titane est beaucoup plus difficile à travailler que l'acier, selon Lambert d'Enigma. "Il faut faire attention à la propreté et au contrôle du processus de soudage, en particulier la purge à l'oxygène, pour laquelle Enigma utilise du gaz argon", précise-t-il.

Auparavant, il y avait peu de jeux de tubes en titane disponibles et ils n'étaient pas conçus spécifiquement pour les vélos. Cela a donné aux montures en titane la réputation d'être trop flexibles. Lambert dit que ce n'est plus un problème maintenant, car il y a plus de choix de tubes spécifiques au vélo, tandis que les caractéristiques de conception telles que les pivots coniques et les normes de boîtier de pédalier plus larges signifient que les cadres en titane peuvent être conçus pour être aussi rigides que l'exige l'application.

Cela dit, le titane a toujours la réputation d'offrir une qualité de conduite confortable entre les mains d'un bon constructeur de cadres.

Le revers de la médaille est que le titane est l'option métallique la plus chère, éclipsant souvent le prix d'un cadre en carbone.

Depuis que Lance Armstrong a remporté le Tour de France 1999 sur un Trek 5500 OCLV, la fibre de carbone est le matériau de prédilection pour les cadres de vélo hautes performances.

Et pour une bonne raison. La fibre de carbone est un matériau merveilleux hautement adaptable qui peut être façonné et ajusté selon des exigences précises, équilibrant rigidité, confort et performances aérodynamiques.

Le carbone n'est cependant pas sans inconvénients. Les cadres de vélo en fibre de carbone sont chers – bien dans cinq chiffres dans le haut de gamme du marché – et peuvent être plus sensibles aux dommages causés par les collisions que les autres matériaux.

Un cadre de vélo en carbone est composé de couches de fibre de carbone (fibres tissées en feuilles) noyées dans une matrice de résine époxy. Les fibres de carbone lui donnent de la force, la résine le maintient ensemble.

"Le carbone a le rapport résistance/poids par pli le plus élevé", déclare Glen. "Mais ce n'est que dans une seule direction, donc il est empilé à plusieurs angles dans un cadre de vélo. Cela signifie que son rapport résistance-poids diminue un peu, mais il est toujours plus élevé que les autres matériaux."

La plupart des cadres sont fabriqués en superposant de nombreuses feuilles de fibre de carbone/résine, appelées "prepreg", avec différentes qualités et orientations utilisées à différents endroits du cadre. Look, par exemple, indique que son cadre 795 Blade est fabriqué à partir de plus de 800 pièces différentes de préimprégné.

"La résine confère au cadre une tolérance aux chocs et une résistance à la compression", explique Glen. "Il y a relativement peu d'entreprises qui fabriquent du préimprégné et de nombreux cadres sont fabriqués par des tiers, donc la plupart des cadres seront fabriqués avec les mêmes résines. C'est le lay-up dans lequel les fabricants de vélos se spécialisent et qui donne également à leurs cadres leurs différentes qualités."

La nécessité de maîtriser le lay-up ajoute une autre couche de complexité à la conception du cadre en carbone. Les marques de vélos ne savent pas non plus comment les utilisateurs finaux utiliseront leurs cadres. Cela conduit à un degré de sur-ingénierie des cadres en carbone pour s'assurer qu'ils peuvent supporter des charges anormales, explique Glen.

Une fois les différentes couches du cadre assemblées, ce qui est fait à la main, le cadre est placé dans un moule en métal lourd et chauffé sous pression pour lier les différentes couches entre elles.

Dans un cadre monocoque, un moule différent est nécessaire pour chaque taille de vélo, ce qui rend la configuration d'une nouvelle conception de cadre coûteuse.

L'alternative, qui est utilisée pour quelques cadres personnalisés, est la construction tube à tube, où les tubes en fibre de carbone préformés sont coupés à longueur et soit enveloppés dans de la fibre de carbone supplémentaire au niveau des joints, soit collés dans des cosses en fibre de carbone. Le Colnago C64 est un exemple classique de cette dernière méthode de construction, tandis que les cadres en carbone de Condor utilisent une construction tube à tube.

Un nombre très limité de fabricants de vélos ont utilisé des machines pour tisser leurs propres fibres de carbone dans des tubes. C'est un processus qui a été utilisé pour certains cadres BMC et Time.

Une différence clé entre la fibre de carbone et tous les métaux est que la nature composite de la fibre de carbone la rend anisotrope, ce qui signifie que ses propriétés physiques sont différentes dans différentes directions.

Un exemple courant d'un matériau anisotrope est un morceau de bois ; vous pouvez facilement le fendre dans le sens de la longueur, mais il est beaucoup plus difficile de le casser dans le sens du grain.

C'est la même chose avec la fibre de carbone, ce qui signifie que la disposition des différentes pièces est cruciale pour la façon dont le cadre roule et sa solidité. C'est pourquoi vous trouverez à plusieurs reprises des références au "lay-up" dans les supports marketing pour les vélos en carbone.

L'autre facteur important est le module de la fibre de carbone utilisée. Les fibres à module plus élevé seront plus rigides, mais elles sont également plus cassantes, de sorte que même un cadre commercialisé comme "haut module" sera composé d'un mélange de différentes qualités de fibre de carbone. La fibre de carbone à module plus élevé est également plus chère, mais le résultat final sera un cadre plus léger pour la même résistance.

Vous trouverez parfois d'autres matériaux incorporés dans les cadres en carbone. Un exemple est la technologie Countervail de Bianchi, utilisée dans bon nombre de ses cadres, qui intègre une couche de matériau viscoélastique dans la couche de carbone, ce qui, selon Bianchi, aide à amortir les vibrations.

Les avantages de la fibre de carbone sont bien connus, étant donné la propension des marques de vélos à vanter les mérites de leurs cadres en carbone haut de gamme et conquérants.

La capacité de gérer avec soin les propriétés de chaque partie du cadre signifie que les cadres en carbone peuvent être conçus pour répondre aux exigences spécifiques du vélo et au type de conduite pour lequel il est conçu.

La fibre de carbone peut être utilisée pour fabriquer un cadre extrêmement léger et extrêmement rigide, avec la possibilité d'envelopper le carbone dans des formes de tube aérodynamiques complexes, tout en tenant compte de la qualité de conduite et du confort.

Cela vous coûtera cependant cher, et la fibre de carbone n'est pas toujours la meilleure option pour les cadres moins chers, où des options en aluminium plus abordables peuvent offrir des caractéristiques de conduite similaires ou meilleures, pour moins d'argent.

Un autre inconvénient de la fibre de carbone par rapport aux cadres métalliques est qu'elle ne peut pas être alésée ou taraudée pour fournir des filetages permettant de visser les composants. Cela signifie que les roulements doivent généralement être poussés dans le cadre ou qu'un insert métallique doit être ajouté pour loger les roulements filetés.

Les roulements de boîtier de pédalier à ajustement serré, en particulier, ont la réputation de craquer, tandis que les inserts métalliques ajouteront du poids à un vélo et peuvent introduire des problèmes d'alignement s'ils ne sont pas bien faits.

La fibre de carbone est également assez facile à écraser, de sorte qu'elle peut être facilement endommagée dans des domaines tels que les pattes à dégagement rapide. C'est pourquoi les vélos en carbone ont souvent des pattes ou des inserts métalliques pour les axes traversants, ou incluent des protecteurs métalliques pour ces zones.

Les coups et les coups peuvent également endommager l'intérieur des tubes du cadre, qui peuvent ne pas être visibles de l'extérieur et qui peuvent provoquer une rupture inattendue du cadre. Si votre cadre en carbone a un choc ou un gros accident, vous devriez le faire inspecter avant de le rouler à nouveau. Il peut nécessiter une inspection par ultrasons ou rayons X pour détecter les dommages internes.

Si vous cassez votre cadre en carbone, les options de recyclage sont limitées, alors qu'avec les cadres en métal, c'est facile. La valeur du titane, en particulier, signifie qu'il est peu probable qu'il finisse à la décharge.

Alors que la fibre de carbone, le titane, l'acier et l'aluminium sont de loin les matériaux les plus couramment utilisés pour les cadres de vélo, il existe également une poignée d'options plus rares.

Vous verrez parfois des cadres décrits comme du scandium. C'est un élément beaucoup trop rare pour être utilisé pour un cadre de vélo entier, et les cadres en scandium sont en fait un alliage d'aluminium avec un petit pourcentage de scandium, ainsi que d'autres métaux. La teneur en scandium est là pour augmenter la résistance du tube en alliage.

Certains vélos et pièces de vélo ont été fabriqués en alliage de magnésium et il menace de faire son retour, avec des cadres de niche fabriqués à partir de ce matériau. L'alliage de magnésium est plus léger que l'aluminium et également plus résistant, bien qu'il soit moins rigide. Il a connu son apogée au début des années 1990 lorsque le cadre de vélo Kirk Precision a été couru au Tour de France. Le Pinarello Dogma était en magnésium jusqu'en 2006. Vaast produit également une gamme de cadres en magnésium, y compris le vélo de gravier Vaast A/1.

Les matériaux naturels ont trouvé leur place dans les cadres de vélo. Plusieurs marques vendent des vélos avec des tubes de cadre en bambou. Les cyclistes rapportent qu'il est confortable et amortit bien les vibrations de la route. Il en résulte un vélo un peu plus lourd que les autres matériaux et, bien que les tubes en bambou aient de grandes références écologiques, ils peuvent avoir besoin de cosses et de résines pour les joindre qui sont moins respectueuses de l'environnement.

Le lin a également été utilisé comme composant de cadres de vélo, généralement en combinaison avec de la fibre de carbone, car on prétend qu'il absorbe mieux les vibrations que le carbone seul. Il est utilisé dans la gamme de vélos d'endurance LOOK 765 et a également été présenté dans une série de vélos lancée au milieu des années 2000 par la légende de la course Johan Museeuw.

Paul écrit sur la technologie du vélo et passe en revue tout ce qui concerne le cyclisme depuis près d'une décennie. Il a passé cinq ans à Cycling Weekly et a également écrit pour des titres tels que CyclingNews, Cyclist et BikePerfect, tout en étant un contributeur régulier à BikeRadar. Sur le plan technique, il a tout couvert, de la largeur de la jante aux derniers ordinateurs de vélo. Il a passé en revue certains des premiers vélos électriques pour Cycling Weekly et a couvert leur développement dans les machines sophistiquées qu'ils sont aujourd'hui, devenant ainsi un expert de tout ce qui est électrique. Paul était dans le gravier avant même qu'il ne soit inventé, faisant du vélo de cyclo-cross à travers les South Downs et le long de sentiers boueux à travers les Chilterns. Il s'est également essayé au VTT cross-country. Il est très fier d'avoir parcouru la longueur du South Downs Way sur un crosser et de réaliser son ambition de longue date de gravir le Monte Grappa sur un vélo de route.

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