Der klassische Werkstoff für Fahrradrahmen ist Stahl. Seine Anwendung ist aber rückläufig. Die früher übliche Verbindung der Rohre durch Einstecken und Einlöten in Muffen wird mehr und mehr durch “stumpfes” Zusammenschweißen ersetzt. Eine Besonderheit sind “konifizierte” Rahmenrohre, deren Enden nach innen verdickt sind. Die somit erreichte Materialanhäufung an den Verbindungsstellen entspricht der dort meist erhöhten Beanspruchung, ohne dass durch konstant dickere Wandstärken das Gewicht unnötig erhöht wird. Bekannte Hersteller solcher Rahmenrohre sind Mannesmann, Reynolds (England), Columbus (Italien) und Tange (Taiwan).
Heute haben sich Aluminiumlegierungen als Standardmaterial durchgesetzt. Als Verkaufsargument werden die geringe Dichte und die angebliche Oxidationsunempfindlichkeit des Metalls genannt. Der geringeren Dichte steht der geringere Elastizitätsmodul entgegen, weshalb die Rohre einen höheren Materialquerschnitt (große Durchmesser) haben müssen. Aluminiumfahrradrahmen sind somit nicht prinzipiell leichter als Rahmen aus Stahl. Das Prinzip der “konifizierten” Rohre wird hier auch angewendet.
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Carbon) wird bei Rennrädern und Mountainbikes immer häufiger verwendet. Das Verhältnis von Steifigkeit bzw. Stabilität zu Gewicht ist bei Carbonrahmen nicht besser als bei Stahl oder Aluminium. Vorteil von Carbon ist lediglich die freiere Gestaltbarkeit.
Eine sehr geringe Verbreitung hat Titan als Rahmenwerkstoff. Titanrahmen wiegen etwa so viel wie solche aus Aluminiumlegierungen. Der Hauptvorteil ist die Langlebigkeit, da Titan praktisch nicht korrodiert. Das Gefühl, etwas besonderes seltenes und edles zu besitzen, spielt eine große Rolle. Wegen der aufwändigen Herstellung und Verarbeitung von Titan sind Rahmen aus diesem Material sehr teuer. Titanrahmen sind bei gleicher Steifigkeit leichter als alle anderen Rahmen für Fahrräder. Sie sind allerdings auch der teuerste Werkstoff.
Das Zusammenfügen der Rahmenrohre hängt vom Werkstoff ab. Stahl wird vorwiegend gelötet oder geschweißt (mit oder ohne Muffen). Aluminium und Titan werden fast ausschließlich geschweißt und selten geklebt. Carbonrahmen werden aus Fasermatten geklebt oder bestehen aus einem Teil, der dann Monocoque genannt wird. Vergleichsweise selten werden diese Kunststoffrohre in Muffen aus Aluminium oder auch Kunststoff geklebt. Selten finden sich auch Verbundkonstruktionen, etwa faserverstärkte Metallrahmen.
Von den vielen verschiedenen Stahllegierungen werden im Rahmenbau üblicherweise Chrom-Molybdän-Legierungen, wie 25CrMo4 (in den USA 4130) und ganz selten 34CrMo4 (US 4135), das eine geringfügig höhere Festigkeit besitzt, verwendet. Ebenfalls selten anzutreffen sind rostfreie Stähle. CrMo-Stahl ist ein zäher Vergütungsstahl, also ein Stahl, bei dem ein plötzlicher Bruch selten vorkommt.
Stahl ist leicht zu verarbeiten. Er lässt sich problemlos löten und schweißen, selbst das Kleben ist möglich. Durch die langjährigen Erfahrungen mit dem Werkstoff können auch exotische Rohrformen wie konifizierte, spiralig verstärkte und andere hergestellt werden.
Aluminium in Form von Legierungen wird heutzutage (2013) oft im Rahmenbau verwendet. Die üblicherweise verwendeten Legierungen tragen die Bezeichnungen 6061-T6, eine Legierung vor allem mit Magnesium und Silizium, und 7005, eine Legierung vor allem mit Zink und Magnesium. Aluminium besitzt zwar nur etwa ein Drittel der spezifischen Steifigkeit (Elastizitätsmodul) von Stahl, aber auch nur ein Drittel seiner Dichte. Bei der statischen Materialfestigkeit steht Aluminium dem Stahl wenig nach. Um ein Profil aus Aluminium mit gleicher Biege- und Torsionssteifigkeit wie aus Stahl zu erhalten, ist ein größeres Flächenträgheitsmoment erforderlich, was den typisch großen Rohrdurchmesser bei Aluminiumrahmen verursacht. Gleiche Festigkeit wird durch geringfügig vergrößerten Materialquerschnitt erreicht.
Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen besitzen keine ausgeprägte Grenze für die Dauerschwingfestigkeit wie Stahl. Ermüdungsbrüche sind bei diesen Werkstoffen vergleichsweise schwer statistisch abzusichern (s. a. Wöhlerversuch).
Ein weiterer Nachteil des Aluminiums ist der im Vergleich zum Stahl aufwändigere und störungsanfälligere Schweißprozess, wodurch bereits innere Spannungen erzeugt werden. Mittlerweile wird als Nachbehandlung ein sogenanntes Schweißspannungsarmglühen angewendet.
Aluminiumrahmen sind nicht prinzipiell leichter als solche aus Stahl, auch wenn das in der Werbung gerne suggeriert wird. Die Dichte von Aluminium ist zwar deutlich geringer als die von Stahl, die Rahmen müssen aber stärker dimensioniert werden, um annähernd gleiche Festigkeiten aufzuweisen. So sind heutige Stahlrahmen oft leichter als vergleichbare Aluminiumrahmen, da der Billigbereich fast ausschließlich durch Massenprodukte aus Aluminium abgedeckt wird und Stahlrahmen fast nur noch im höherwertigen Bereich anzutreffen sind.
Als Scandiumlegierung wird bei Fahrradrahmen eine Aluminiumlegierung bezeichnet, die eine kleine Menge Scandium enthält. Dieser Zusatz kann die Zugfestigkeit des Materials um bis zu 20 % gegenüber einer herkömmlichen Aluminiumlegierung erhöhen, macht es aber auch gleichzeitig vergleichsweise spröde (erhöhte Ermüdungsbruchgefahr).
Manche Titanlegierungen sind hochfest, einige liegen sogar knapp über den im Rahmenbau verwendeten Stählen. Infolge der fast nur halb so großen Dichte im Vergleich zu Stahl hat Titan das günstigere Steifigkeit-Gewicht-Verhältnis. Das Konifizieren von Titanrohren ist zwar möglich, aber aufwändig und für Fahrräder nicht üblich. Das Endverstärken von Rohren wird aus Kostengründen sehr oft unterlassen. Ein großer Nachteil ist die schlechte Schweißbarkeit von Titan, da es ähnlich wie Aluminium eine Oxidschicht bildet. Dadurch steigt die Härte und Sprödheit in der Schweißnaht, was die Gefahr eines Dauerbruchs mit sich bringt. Somit muss der Rahmen in Edelgas- oder Vakuumkabinen geschweißt werden, was außerordentlich kostenintensiv ist.
Faserverstärkte Kunststoffe werden seit längerem erfolgreich zum Beispiel im Sportgerätebau eingesetzt. Die theoretischen Steifigkeits- und Festigkeitswerte sind sehr hoch, gelten aber nur in einer, nämlich der Faserrichtung, während die Festigkeits- und Steifigkeitswerte bei Metallen in allen Richtungen dieselben sind. Außerdem müssen die Fasern untereinander abgestützt werden. Das geschieht durch Kunststoffe, die sogenannte Matrix. Bei Fahrradrahmen besteht diese meist aus Epoxidharz. Wenn eine Kraft nicht in Faserrichtung wirkt, hält nur die Matrix dagegen, und Epoxidharz, wie auch andere Kunststoffe, ist nicht sehr fest. Die Fasern müssen also in mehrere Richtungen gelegt werden, dadurch wird der Gewichtsvorteil zusehends geringer. Außerdem muss der Kräfteverlauf in einem Rahmen bekannt sein, damit in allen auftretenden Kraftrichtungen Verstärkungsfasern in der richtigen Menge und Richtung gelegt werden können. Dieser Vorgang ist mit hohem Arbeitsaufwand verbunden. Insgesamt ist der Rahmen zwar leichter, aber auch wesentlich teurer, und kaum oder nicht steifer, bzw. bei gleicher Steifigkeit wie Stahl- oder Aluminiumrahmen gleich schwer. Kohlefasern besitzen nur in Zugrichtung hohe Festigkeit. Daher sind sie für den Rahmenbau von Fahrräder eigentlich nicht geeignet. Dass sie dennoch dafür eingesetzt werden, unterliegt einer Mode, aber keiner technischen Sinnhaftigkeit.
Die verschiedenen Verstärkungsfasern werden in drei Grundformen verwendet:
als Strang oder Bündel von Parallelfasern (Rovings),
als Gewebe und Geflechte in ihren unterschiedlichsten Formen und
als ungerichtete Matten oder Wirrfasern.
Neben Parallelfasern gibt es noch Garne und Zwirne, die durch Verdrehung einzelner oder mehrerer Spinnfäden entstehen. Durch die Verdrehung entsteht ein widerstandsfähiger, in sich fest gebundener Faden, der sich leicht textil verarbeiten (z. B. weben) lässt.
Neben Kohlefasern (ca. 7–10 µm Durchmesser) werden auch Glasfasern (ca. 5–15 µm Durchmesser) und Aramidfasern (Kevlar, ca. 12 µm Durchmesser) eingesetzt. Kohlefasern sind sehr spröde, deswegen werden Aramidfasern (= Kevlar) beigefügt, die eine größere Bruchdehnung besitzen. Faserverstärkte Kunststoffe, die nur Aramidfasern enthalten, werden im Rahmenbau wegen ihres hohen Preis-Festigkeit-Verhältnisses nicht verwendet.
Dieses Material gehört eigentlich zu Aluminium, aber auch zu den faserverstärkten Werkstoffen, weil in einer Aluminiummatrix Fasern oder Partikel zur Verstärkung eingelegt werden. Im Jahr 1998 haben zwei Firmen Produkte vorgestellt: Specialized mit einem partikelverstärkten Rahmen (Aluminiumoxidpartikel), Univega mit einem borfaserverstärkten Gefährt. Die Festigkeit des Aluminiums wird kaum verbessert, aber laut Herstellern die Steifigkeit um bis zu 30 %. Diese Rahmen sind inzwischen wieder vom Markt verschwunden.
Abbildung 18: Altes Bambusfahrrad (USA, 1896). Die Rohrverbindungen sind aus Metall – heute Faserverbundwerkstoffe (Quelle: Technisches Museum Prag)(von http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bamboobike.jpg)
Abbildung 19: modernes Fahrrad mit Rahmenrohren aus Bambus (von http://commons.wikimedia.org/wiki/File:13-06-27-breda-by-RalfR-122.jpg)
Bambus (meist Bambuseae) wird heute (2013) ebenfalls im Rahmenbau verwendet.[6] Bambus besitzt eine spezifische Steifigkeit (Elastizitätsmodul), die sehr nahe an Stahl herankommt, aber nur ca. ein Drittel seiner Dichte aufweist (abhängig vom verwendeten Gras). Bei der statischen Materialfestigkeit steht Bambus Aluminium und Stahl etwas nach. Um einen Rahmen aus Bambus mit gleicher Biege- und Torsionssteifigkeit wie aus Stahl zu erhalten, ist ein Rohrdurchmesser notwendig, der mit einem Aluminiumrahmen vergleichbar ist.[7] Der Materialquerschnitt variiert, bedingt durch die unterschiedlichen Rohrstärken von Bambus.
Ermüdungsbrüche sind bei Bambus bisher nicht bekannt, jedoch handelt es sich um ein organisches Material, das schimmeln kann. Bambus bricht nicht, sondern splittert bei zu hoher Belastung. In Gegensatz zu Stahl und Aluminium ist Bambus feuergefährdeter.
Die Verbindungen von Bambusrahmen werden meist mit mehreren Faserschichten und Epoxidharz hergestellt.