ВелоиндустрияМеталлургия для велосипедистов от Скота Никола, части 1 и 2

Дорогие друзья! Предлагаю Вашему вниманию небольшую серию статей, посвящённых материалам, используемым при производстве MTB-рам.

Эти статьи являются переводом статей написанных Скотом Николем, основателем Ibis Cycles, ещё в далёком 1994-м году и опубликованных в журнале VeloNews. Я наткнулся на них совершенно случайно в процессе познавательного ползания по просторам. Несмотря на свою давность, они показались мне крайне познавательными как применительно к интересовавшим меня вопросам о байках, так и в целом в отношении знаний о материалах. Как мне кажется, актуальность они свою не утратили до сих пор. Счёл, что эти статьи могут быть интересны и Вам.

Оригиналы статей опубликованы на сайте Ibis, при необходимости Вы можете их там легко найти. Перевод выполнен мной с личного разрешения Скота. К сожалению, с профессиональным рецензированием и редактированием текста у меня не вышло, хотя изначально я это планировал, поэтому заранее прошу прощения, если люди, владеющие специальными знаниями, увидят ошибки или неточности — честно максимально глубоко вникал в терминологию и предмет, но не всё подвластно дилетантам. Благо в комментариях к посту можно обсудить многое… Из-за отсутствия рецензирования возможны также орфографически, синтаксические и прочие ошибки, хотя текст вычитываю по несколько раз.

Перевод можно назвать адаптированным, ибо некоторые выражения и шутки Скота весьма специфичны. Кое-где я добавил кажущиеся мне важными дополнения, чтобы упростить понимание текста. Все мои добавления и комментарии выделены курсивом. При переводе я оставил английские термины, как для облегчения понимания других текстов на английском языке, так и для возможности профессионалам указать на неточности перевода, если они есть. Единицы измерения оставил в имперской системе, заморачиваться конвертацией не стал, так как влияния на суть вещей это не меняет.

Всего статей 6 штук, буду публиковать по две сразу раз в неделю. Да, кстати, вот Скот собственной персоной.
Велоиндустрия: Металлургия для велосипедистов от Скота Никола, части 1 и 2

Поехали. 

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 1
 
ОСНОВЫ
 
Какой материал лучше всего подходит для изготовления велосипедной рамы: сталь, алюминий, титан или углеволокно? Может что-нибудь более экзотическое? Эта тема – благодатная почва для бесконечных дебатов среди велофанатов (таких, как я). В этой серии из 6 статей мы рассмотрим металлургию применительно к велосипедам. Если всё пройдёт как надо, вы научитесь разбираться во всех популярных сейчас в велостроении материалах, а также узнаете, что нас ждёт в будущем. Также я хотел бы дать вам средство защиты от хитрой и вводящей в заблуждение рекламы, на которую часто покупаются несведущие. Совсем не важно, что боралин (коммерческое название некоего сплава, прим.перев.) использовался для производства танковой брони, или что ваш велосипед проектировали учёные-ракетчики. Вам даже не нужно носить белый лабораторный халат, чтобы уметь строить хороший байк. Вдумчивый подход к проектированию и глубокое знание биомеханического взаимодействия между байком и райдером — единственные необходимые условия.

Для начала вы должны понимать, что обычная велосипедная рама – это очень сложная механическая структура… сложная настолько, насколько это возможно за 100 лет халтуры. Попытки улучшить её конструкцию предпринимаются постоянно, но большинство заканчиваются ничем. Задача спроектировать более продвинутую раму может показаться лёгкой, но это не так. За счёт улучшений в материалах и проектировании происходят лишь небольшие изменения, и лишь в рекламе происходят огромные скачки. Проектирование велосипеда – сложная наука, из-за чего у меня нет возможности осветить все её аспекты. Я коснусь наиболее важных ингредиентов в этом салате. Вы не услышите про объёмноцентрированные (body-center cubic) и гранецентрированные (face-center cubic) кубические решётки, или про границы зёрен (grain boundaries) и плоскости скольжения (persistent slip planes). Но вы всё равно получите много релевантной информации для размышления.

Понимание свойств материалов является ключом к пониманию самих материалов. К сожалению, соответствующая терминология употребляется, как Бог на душу положит: этот байк прочный, у этого байка лучшее отношение прочность-к-размеру-наклейки-на-нижней-трубе, этот байк усилен одиннадцатью жизненно важными витаминами и минералами, — ну вы поняли… В первой части я расскажу о правильной терминологии, как в техническом аспекте, так и в разрезе того, что это значит для велосипеда. В этом разделе вы получите чудесные знания, которые будут вести вас шаг за шагом по пути дальнейшего просвещения.
 
НАЧНЁМ
Какие свойства материалов важны при выборе, из чего строить велосипедную раму? Они делятся на три группы:
Физическиеплотность (density), цвет, электрическая проводимость (electrical conductivity), проницаемость для магнитных волн (magnetic permeability) и тепловое расширение (thermal expansion);
Механическиеотносительное удлинение (elongation), предел усталости (fatigue limit), твёрдость (hardness), жёсткость (stiffness), прочность на сдвиг (shear strength), прочность на растяжение (tensile strength) и вязкость (toughness);
Химическиеспособность реагировать (reactivity), коррозионная стойкость (corrosion resistance), электрохимический потенциал (electrochemical potential), стойкость к ионизирующей радиации (irradiation resistance), стойкость к воздействию кислот (acid) и щелочей (alkalis) и растворимость (solubility).

Плотность и коррозионная стойкость важны по понятным причинам. От сведений о проницаемости для магнитных волн и сопротивляемости воздействию радиации толку мало, а вот все механические свойства, напротив, очень важны. Но почему, и что они все значат? Переходим к этому…
 
ПЛОТНОСТЬ (DENSITY)
Начнём с простого. Плотность означает, сколько весит определённый объём материала. Например, алюминий 6061 весит 0,098 фунта/дюйм3, сталь 4130 весит 0,273 фунта/дюйм3 и титан 3/2,5 весит 0,160 фунта/дюйм3. Это легко запомнить: титан имеет плотность равную примерно половине плотности стали, а алюминий – одну треть. Отталкиваясь от этого как от основы, посмотрите теперь на другие свойства, такие как прочность и упругость. Сейчас у вас может возникнуть вопрос: «Почему алюминиевая рама не весит в три раза меньше, чем стальная?» Читайте серию доконца, и вы узнаете ответ.
 
ЖЁСТКОСТЬ (STIFFNESS)
Жёсткость измеряется при помощи модуля упругости, или модуля Юнга. Как и плотность, жёсткость проста для понимания. Если вы «в теме», то со своими друзьями вы скорее будете говорить о модуле упругости, нежели о жёсткости, потому что первый звучит умнее. Сравните: «Чувак, мой чугуниевый «Орлёнок» ппц какой жёсткий,» — или: «Я полагаю, но не утверждаю однозначно, что модуль упругости материала Sandspeed достаточен для предполагаемых нагрузок.» Чувствуете разницу, насколько вы умнее выглядите, говоря про модуль? Жёсткость – мера сопротивляемости эластической, или упругой, деформации: форма материала меняется при приложении нагрузки и возвращается к исходной после её прекращения – материал отпружинивает обратно. Жёсткость влияет на управляемость и «чувство» байка. Чем жёстче металл, тем лучше он поглощает энергию, что позволяет более быстро и уверенно проходить препятствия, поскольку при изгибании металл ведёт себя как недемпфированная пружина.

Модуль упругости будет одинаковым у разных сплавов одного и того же метала, равно как и при разных степенях их закаливания. Закалённая (heat-treated) труба Prestige не жёстче, чем сварная (seamed) труба из стали 1020 того же размера. Все трубы одинакового размера, сделанные из алюминия 6061, имеют одинаковую жёсткость (гидроформинг и баттинг также не влияют на жёсткость материала, прим. пер.). Однако если обработать материал оксидом лития или оксидом алюминия, модуль упругости изменится, но при этом он останется таким же независимо от метода закаливания. Кто-нибудь может назвать исключение из этого правила? Ещё один способ увеличить жёсткость детали (но не материала) – увеличить диаметр трубы и изменить её форму (прим. пер.).

 
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ (ELONGATION)
Знаю, что это свойство звучит замечательно, но это не совсем так. Относительное удлинение показывает, насколько материал растягивается, перед тем как разрушиться. Это мера его пластичности (ductility). Что такое пластичность? Это способность материала к пластической деформации без разрушения: при приложении нагрузки материал деформируется и остаётся таковым после её прекращения (например, гнётся). Стекло не очень пластичное, оно не способно к относительному удлинению, оно хрупкое. Хрупкость – понятие обратное пластичности, она означает разрушение при малых деформациях. Хрупкое разрушение – не лучший вариант для байков. Нужно, чтобы материал гнулся, перед тем как разрушиться. Это индикатор безопасности. Да, относительное удлинение – очень важное свойство, и я вернусь к нему, когда буду говорить о каждом из материалов.
 
ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ (TENSILE STRENGTH) (не помню где, но слышал профессиональное мнение, что употребляется термин просто «прочность», прим. перев.)
Это ещё одно крайне важное свойство. Прочность – способность материала выдерживать нагрузку без разрушения. «Больше прочность – лучше пицца» — золотое правило… но только если при этом вы игнорируете другие свойства материала. Термин происходит от методики измерения значений, при которых материал деформируется и разрушается, представляющей собой растягивание образца в разные стороны. Но ведь обычно байки не разрушаются от высоких нагрузок на растяжение, поэтому какой смысл в таком тесте?! К счастью он является хорошим индикатором того, как материал себя ведёт в целом: результаты теста на растяжения используются для описания прочности, пластичности, жёсткости, а также выбора параметров для процесса закаливания. Кроме того, прочность металлов на сжатие (compressive strength) ведёт себя почти также, как и прочность на растяжение.

При проведении теста на растяжение вы берётесь за оба конца образца материала и начинаете тянуть. С увеличением нагрузки (stress [сила на единицу площади]) увеличивается напряжение (strain [изменение размера вследствие нагрузки]). Отложив  зависимость напряжения от нагрузки на графике, мы получим кривую «нагрузка-растяжение» (load-extension curve). С её помощью можно определить некоторые свойства, которые мы упомянули выше, а также предел текучести (yield) и предельную прочность (ultimate strength). Предел текучести – уровень нагрузки, выше которой материал остаётся в перманентно деформированном состоянии (пластическая деформация). Предел прочности – пиковая нагрузка, которую материал способен вынести, обычно близкая к точке, где он разрушается.
 
УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ (FATIGUE STRENGTH)
Уже догадались? Да, это ещё одно важное свойство, но снова не само по себе. Разрушение из-за усталости происходит при циклических нагрузках, максимальные значения которых не превышают предел статической прочности материала на растяжение. Подобный тест интересен для нас, потому что повторяющаяся нагрузка имитирует вибрации и удары, которые происходят, когда вы валите вниз по длинной и извилистой трассе. Сама по себе усталостная прочность является мерой нагрузки, при которой материал разрушается после определённого количества циклов её приложения. Проблема, однако, в том, чтобы разработать правильный тест. Повторюсь, велосипед – сложная штука. Не существует стандартного теста на усталость. Ещё одна загогулина заключается в том, что тесты на усталость – циклическое приложение лишь схожих значений нагрузки, тогда как нагрузка на детали велосипеда при реальной езде очень однообразна.

Сплавы железа (сталь) и титана имеют порог, ниже которого нагрузка может приложена бесконечное число раз, не вызывая их разрушения. Это называется пределом усталости (fatigue limit), или пределом выносливости (endurance limit). У алюминия и магния нет предела выносливости. Это значит, что даже при небольших значениях нагрузки они в итоге разрушатся после достаточного для этого количества циклов её применения.
 
ВЯЗКОСТЬ (TOUGHNESS)
Это способность металла поглощать энергию и осуществлять пластическую деформацию перед разрушением. Она отражает сопротивляемость материала к «раскалыванию», то есть внезапному разрушению без каких-либо предшествующих внешних признаков. Вязкий металл является более пластичным, поэтому скорее деформируется, нежели раскалывается, особенно при наличии трещин и сколов — условий, повышающих нагрузку. Хрупкий металл – наоборот. Вязкость (или ударная взякость в профессиональном лексиконе, прим. пер.) – важное свойство, так как велосипедным трубам нужно иметь способность к пластической деформации, давая знак о надвигающейся «Коне». Измерение вязкости – сложная задача. Есть много разных способов анализа этого свойства материалов, какие-то применимы к велосипедам, какие-то нет. Я не буду касаться вязкости, за исключение ситуаций, где она является проблемой в свете других свойств материалов. Если это будет важно, как, например, с углеволокном, я упомяну об этом.
 
В ПОИСКАХ СОВЕРШЕНСТВА
Отвечая на вопрос, поставленный в начале этой статьи, ни один из упомянутых материалов не является идеальным – все они имеют преимущества и недостатки. Построить рамы из разных материалов и сравнить их сложно, поскольку режимы разрушения этих материалов значительно отличаются. Кроме того, сварка, плавка и обработка этих материалов производятся различными способами. Однако сложнее всего не быть одураченным маркетологами. Читайте серию дальше, и вы узнаете достаточно, чтобы нажить себе проблем. 


МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 2
 
РЕАЛЬНАЯ СТАЛЬ
 
«Конан, когда-то давно на Земле жили гиганты. Воспользовавшись тьмой хаоса, они обманули Хрома, похитив у него секрет стали. Хром был в ярости, и Земля содрогнулась. Огонь и Ветер сокрушили гигантов… но в порыве ярости боги забыли про секрет стали, и он остался на поле боя. И мы, «такые прастые луди», – не боги, не гиганты, всего-лишь люди – нашли его. Секрет стали всегда хранился в тайне. Ты должен познать сталь, разгадать эту загадку, Конан. Никому, никому в мире ты не должен доверять – мужчинам, женщинам, тварям… только стали.» Отец Конана из «Конан — варвар».

Конструкторам велосипедных рам давно известен секрет стали. Сталь используется для этих целей чаще, чем другие материалы. Опыт её применения почти на 50 лет больше, по сравнению с другими материалами, которые сейчас используются. Во второй части нашей серии из 6 статей вы узнаете кое-что о том, откуда берётся сталь, а также о её преимуществах и недостатках при производстве велорам. Но вначале я бы рекомендовал перечитать первую часть, чтобы освежить терминологию.

Сталь по большей части состоит из железа, обозначаемого символом Fe (от лат. ferrum– железо). Отсюда происходят термины «железосодержащие» и «не железосодержащие» материалы. Как вы догадались, сталь – железосодержащий материал, а алюминий и титан – нет. Железо – четвёртый по распространённости элемент в земной коре, так что в ближайшем будущем мы вряд ли будем испытывать его дефицит (а вот с хромом и молибденом дела обстоят иначе). Железо редко встречается в чистом виде, разве что в метеоритах. В этой стране на этой планете оно встречается в различных формах, среди которых магнитный железняк (magnetite [Fe3O4]), красный железняк (hematite [Fe2O3]), сидерит (siderite [FeCO3]), железный колчедан (pyrite [FeS2]) и куча других.

Как из железа получается сталь? В процессе плавки добавляются и экстрагируются пара ингредиентов, и voila – сталь (на самом деле, это очень сложный и трудоёмкий процесс, включающий экзотермически реакции, но мы оставим это для расширенной версии данной статьи). Например, сталь 4130 – стальной сплав, более известный как хромомолибден (CrMo), или хромоль, содержит следующие легирующие элементы: 0,28-0,33 процента углерода, 0,40-0,60 процента магния, 0,80-1,10 процента хрома, 0,15-0,25 процента молибдена, 0,04 процента фосфора, 0,04 процента серы и 0,20-0,35 процента кремния. Остальные 95 процентов – старое доброе тёплое ламповое железо. Есть сотни разных видов стали, но именно 4130 применяется в велостроении, из-за, среди прочего, её пригодности к сварке, формуемости, прочности, текучести и жёсткости. Многие дешёвые рамы, однако, производятся из стали 1020, известной также как нелегированная сталь (plain carbon steel), и имеющей значительно меньшую прочность, чем CrMo. Цифры, которыми я тут сыплю, были предложены Обществом инженеров автомобилестроения и Американским институтом железа и стали: 41ХХ означает хромо-молибденовую сталь (CrMo), а 10ХХ – нелегированную сталь, по сравнению с первой имеющую меньше легирующих агентов и более низкую стоимость. Первая цифра обозначает тип стали: 1 — нелегированная сталь, 2 — никелевая, 3 — хромо-никелевая, 4 – хромо-никелево-молибденовая, 5 – хромовая и т.д., пока не стошнит. Вторая цифра у разных сплавов обозначает разные вещи. В случае 4130 она показывает процент хрома и молибдена в сплаве. Последние две цифры говорят о содержании углерода в виде сотых долей процента, то есть в 4130 его 0,3 процента. Далее, я буду употреблять 4130 и CrMo в качестве синонимов, хотя и не все CrMo являются 4130. CrMo сейчас является наиболее распространённым типом стали, применяемым для производства высококачественных велосипедных рам. Я надеюсь, что читатели этих статей не катают на ашанобайках, которые производятся из стали, находящейся в пищевой цепочке лишь слегка над тем, что называется арматурой. По сути, арматура – смесь переплавленных грузовиков середины прошлого века, стиральных машин и магазинных тележек.
 
СТАЛЬ В КАЧЕСТВЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ РАМ
Конструкторам велосипедных рам при выборе материала приходится принимать во внимание различные факторы. Даже когда все характеристики материала известны, сделать выбор не так просто. Но, несмотря на это, есть много причин для выбора в пользу стали. Давайте пройдёмся по физическим характеристикам материалов, которые мы определили в прошлый раз, и посмотрим как, сталь укладывается в общую картину, по сравнению с титаном и алюминием. Для простоты понимания сейчас я воздержусь от сравнений с углеволокном, композитов с металлической матрицей и других материалов. Это будет сделано, когда речь пойдёт непосредственно о них.
 
ПЛОТНОСТЬ
В заглавной статье мы начали с плотности из-за простоты понимания этого свойства. Сталь весит 0,283 фунта на дюйм3, что почти в два раза больше, чем титан (0,160) и три раза больше, чем алюминий (0,098). Понятно, что плотность важна, поскольку все современные рамы стараются делать лёгкими, а с высокой плотностью сложно следовать этой тенденции. К счастью, у стали есть ряд других важных свойств, которые следует обсудить.
 
ЖЁСТКОСТЬ
Вот где сталь уделывает Tiи Al. Модуль Юнга стали составляет примерно 30 млн фунтов на дюйм2 (psi). У титанового сплава Ti3Al-2V он порядка 15,5 млн psi, а у алюминия 6061 приблизительно 10 млн psi. Это отношение 3:2:1 почти совпадает с таковым для плотности. Это значит, что отношение жёсткости к весу у этих материалов почти одинаковое (при условии, что вы рассматриваете жёсткость при растяжении или сжатии).

Если вам так интересно, то модуль Юнга – это отношение нагрузки к растяжению ниже предела упругости (proportional limit, или предел пропорциональности в профессиональном лексиконе, прим. пер.) на кривой нагрузка-растяжение (). Вкратце мы упоминали это в предыдущей части. Всё, что нужно знать – чем больше это число, тем жёстче материал. Погодите… Как так получается, что сталь жёсткая, а Al нет, при этом алюминиевые байки с трубами большого диаметра невероятно жёсткие? Модуль Юнга измеряет жёсткость образцов материалов равного размера, или сечения. Иначе это называется моментом сопротивления сечения (section modulus). Тут появляется ещё один кусочек паззла, который складывают конструкторы, и называется он полярный момент сопротивления сечения (polar section modulus), определяющийся формулой:
0,196 х ([D^4-d^4]/D), где D — внешний диаметр трубы, d — внутренний диаметр трубы.
Эта формула говорит нам, что с увеличением диаметра трубы жёсткость возрастает в третьей степени его значения. Сравнивая дюймовую и двухдюймовую трубы с одинаковой толщиной стенки, толстушка будет в восемь раз жёстче той, что по размеру как пиписька. При этом вес увеличится лишь в два раза. Теперь понятны причины волшебных ощущений от езды на Klein’ах и Cannondale’ах?

Другой простой пример для понимания того, как это работает. Сравним две трубы одинакового веса и посмотрим, как вырастет жёсткость с увеличением их диаметра. Берём дюймовую стальную трубу с толщиной стенки 0,049 дюйма и полуторадюймовую трубу с толщиной стенки 0,032 дюйма. Вес у них одинаковый, но последняя в 1,6 раза жёстче. Вы спросите: «Почему тогда не увеличить диаметр стальных труб, как это делают в случае с алюминиевыми, чтобы получить ещё более лёгкий байк?» Здесь появляется так называемый эффект «пивной банки». При увеличении отношения диаметра к толщине стенки более 60-70 к 1, появляется большая вероятность разрушения из-за вдавления ([buckling] помнётся, короче говоря). Al и Ti, будучи материалами с меньшей плотностью, позволяют делать стенки толще, повышая сопротивляемость этому эффекту (в профессиональном лексиконе сопротивляемость этому эффекту называется устойчивостью, прим. пер.).
 
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ
Ещё раз, это свойство – индикатор пластичности. Проще говоря, оно показывает, насколько материал растягивается, перед тем как разрушиться. Если предыдущие свойства – плотность и жёсткость – не меняются в зависимости от сплава и вида закаливания, независимо от вида металла, то относительное удлинение – другое дело. Как и прочность, оно зависит от способа закаливания и природы сплава. Относительное удлинение выражается в процентах.

При проведении теста на прочность на растяжение материал растягивается до тех пор, пока не сломается. На образце ставятся метки, и расстояние между ними замеряется до и после разрушения материала. Разница между ними выражается в процентах относительного удлинения. Сталь, обычно используемая в велостроении, имеет относительное удлинение от 9 до 15 процентов. Если относительно удлинение меньше 10 процентов, то я считаю, что имеет смысл тщательно рассмотреть его в комплексе с другими свойствами материала. Вероятность хрупкого разрушения возрастает с уменьшением значения этого показателя. В частности, нужно посмотреть на показатели прочности материала – вязкость и предел выносливости. И если уж заговорили, например, о вязкости, то кто сможет сказать, какой метод её определения лучше: по Шарпи, по Изоду или какой-нибудь другой? Точный анализ материалов с низкими значениями относительного удлинения требует намного больше информации, чем я могу дать в этом кратком обзоре.
 
ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ: ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ И ТЕКУЧЕСТИ
Прочность различных сплавов разных производителей в огромной степени варьирует. Стандартная CrMo может иметь предел текучести (yield strength) в 90 тыс. фунтов/дюйм2 (ksi), тогда как у True Temper OX3 он почти в два раза больше: 160 ksi. При этом байк из любого из этих материалов может сломаться. Мы знаем наверняка, что цельнотянутые трубы (straight gauge) American Airframe – очень надёжный материал для производства рам. Но его прочность всего-лишь 90 ksi. Но опять же, может оказаться, что его вязкость и относительное удлинение просто потрясающие, поэтому более низкая прочность нас устроит.

Если трубы True Temper OX3 в два раза прочнее, значит ли это, что можно построить раму с толщиной стенок в два раза меньше? Да. Будет ли она такой же прочной? Нет. Будет ли она такой же жёсткой? Чёрта с два. Будет ли она столь же долговечной? Сомневаюсь.
 
КАРТИНА В ЦЕЛОМ
Смысл всего этого в том, что учитывать нужно многое. Если вы взглянете лишь на пару показателей, у вас не будет целостного представления. Металлургу убедить рекламщика о превосходстве одного материала над другими – как два пальца. Посмотрите на материалы, которые упоминались выше. Очень разные показатели прочности, идентичная плотность, при этом вы можете построить хороший байк из обоих. Сталь – отличный материал для производства рам. Можно наверняка сказать, что нет более удачного материала. С ним легко работать, он легко поддаётся сварке и пайке, может быть обработан с помощью простых инструментов, разрушается по предсказуемой схеме (не внезапно), и он дёшев! Немногие пытались сбросить сталь с трона лучших материалов за последние 100 лет. В течение пары последних десятилетий мы наблюдаем, как алюминий завоёвывает всё большую популярность в производстве байков, да и титан успешно используется уже порядка 10 лет. Но сейчас на дворе 1994 и сталь находится под серьёзным давлением со стороны растущего числа перспективных новых материалов. Оставайтесь с нами, чтобы узнать о них больше. Следующая часть «лихих металлов» расскажет про алюминий.

Комментарии (32)

+11
Супер, очень интересно 
avatar

Rain

0
Угу, суперинтересно.
По тексту — пробельчиков не хватает:
Закалённая (heat-treated) труба Prestigeне жёстче, чем сварная (seamed) труба из стали 1020 того же размера.
Далее, я буду употреблять 4130 и CrMoв качестве синонимов, хотя и не все CrMoявляются 4130. CrMoсейчас является наиболее распространённым типом стали
У титанового сплава Ti3Al-2Vон порядка 15,5 млн psi
Это так навскидку. Еще перед тире желательно ставить пробелы.
avatar

velikain

+1
Спасибо. Не все эти моменты ещё исправил, некоторые не заметил. Текст вставлял прямиком из Ворда, видимо, какие-то трабблы с кодировкой или чем-то ещё.

Если ты про английские слова, то в нашем понимании это дефис. В таких словах у них пробелов не ставится.
Последний раз редактировалось
avatar

Rude_Boy

+1
Не, я про

Физические
Механические
Химические
Если перед дефисом поставить пробел — он автоматически заменяется на тире.
avatar

velikain

+2
Вроде пофиксил. Та ситуация, когда у меня в режиме правке опять пробелы были, а при просмотре публикации — нет.
avatar

Rude_Boy

+9
Большое спасибо! Давно хотел ознакомиться с данным вопросом.
avatar

N01Z3

+13
Такое ощущение что прочитали лекцию по «Технологиям материалов»)
avatar

VladimirKuzyakin

0
Будто обратно в универ вернулся на пару материаловедения.
P.S. Жду байк из карбо-титаниума. 
avatar

SochiDH

+4
Карботаниума! С электронноуправляемой системой подвески, автоматическим переключением передач, в зависимости от усилия на педалях и колесами диаметром 28,125 дюйма. :D
Последний раз редактировалось
avatar

d1tritus

+2
Неплохо бы перевести все эти фунты, дюймы и ksi в нормальные международные единицы — мм, г/см3, МПа и пр.
avatar

Chute

+2
Ещё одна загогулина заключается в том, что тесты на усталость – циклическое приложение лишь схожих значений нагрузки, тогда как нагрузка на детали велосипеда при реальной езде очень однообразна.


 Мне кажется, или последнее слово должно быть «РАЗНОобразна»?
avatar

NeGO

+2
Я долго пытался понять, что он имеет в виду этой фразой. Вроде напрашивается разнообразие, но написано у него именно однообразие: «Another kink is that fatigue tests are done by cyclic loading of similar stress, whereas the loads you apply to your bicycle parts are uniform.» Понять эти предложения как-то иначе у меня не получилось.

Думаю, подразумевалось, что райдер (не пень, в который он врезается, или обрыв с которого он падает, а именно райдер) не может создать большого разнообразия нагрузок, как по их характеру, так и по их силе. Типа, ты всегда крутишь шатун в одном направлении почти с одинаковой силой нажима и т.п. Как-то так.

Спецы разъяснили бы.
Последний раз редактировалось
avatar

Rude_Boy

0
плюсуюсь. более 90% нагрузок/ударов однообразна с точки зрения велосипеда
avatar

Letchik

0
При испытании на усталость, как и при любых испытаниях на механику, нагрузки как правило в одной оси. У велика нагрузки все в разных осях, ну вот сами подумайте: разгон, торможение, левый и правый поворот — все это нагрузки в разных осях, так что я считаю что правильно «РАЗНООБРАЗНА»
avatar

parshutav

+2
в универе во время прохождения материаловедения (строительный ВУЗ) я уже увлекался велоспортом и спросил препода «может ли сталь быть такой же (удельно)прочной на растяжение как алюминий?» на что получил ответ — «с алюминием сталь может сравняться только в виде каната».
а теперь смотрю в вики их плотности и модули юнга:

алю:
  • плотность — 2,7 г/см³

сталь: 
    Плотность ρ ≈ 7,86 г / см3
 
 гуглу не спалось:

Большой интерес представляет сравнительный анализ удельной прочности различных конструкционных материалов. В табл. 3. 2 приведены результаты вычислений удельной прочности древесных пород (сосны, ясеня), высокопрочных алюминиевых сплавов (Д-16, В-95) и нормализованной легированной стали ЗОХГСА. 
Таблица 3.2 Характеристики конструкционных материалов

 
www.stroimsamolet.ru/014.php

далее:

Если удельная прочность улучшенной стали 40Х составляет 13км, то для титанового сплава составляет до 31км, а для композиционного материала на основе алюминия, армированного борным волокном до 43км. 
www.prikladmeh.ru/lect17.htm
avatar

Letchik

0
В части про титан Никол писал, что у высокопрочных сталей (это явно не CrMo) относительное удлинение ещё меньше, чем у алюминия.
avatar

Rude_Boy

+1
но причем тут относительное удлинение?
avatar

Letchik

0
Добавка, не более. Формально не при чём. Просто посмотрел на твою таблицу в плане удельной прочности стали в сравнении с алюминием, и сразу вспомнился ещё и этот момент.
Последний раз редактировалось
avatar

Rude_Boy

0
так где же истина?) по «удельным модулям Юнга» сталь и алю практически равны. а по этим таблицам алю гораздо выгодней.
avatar

Letchik

0
Вот моё непрофессиональное понимание.

Прочность играет далеко не самую главную роль. Удельное и относительное это хорошо, но в абсолюлтных значениях модуль упругости у стали выше, и это лучше. С точки зрения байка модуль упругости важен как в плане именно контроля и ощущения при езде, так и с точки зрения прочности, но усталостной, типа, меньше гнётся — меньше усталостных деформаций металла. Общее соотношение этих свойств позволяет делать стальные трубы меньшего размера, веса и т.д., тогда как у алюминия нужно решать ряд проблем, в основном как раз из-за меньшего модуля упругости. В плане предельной прочности особых проблем нет, ибо рассчитываются нагрузки и закладывается резерв прочности.
avatar

Rude_Boy

+1
по-моему как раз стальные байки менее жесткие, в частности харстейлы. тот же ДЖ/стрит, да и вообще не раз читал о том, что стальной/титановый байк гасит удары/кочки ощутимей чем алю. видимо это вытекает из больших диаметров труб алюминевых рам, в статье этот вопрос тоже затрагивается.

короче говоря я не согласен с тем, что из стали выходит байк жестче и меньшего веса)

про усталости… тут сталь конечно выигрывает, вопрос в том — нужно ли с собой всегда возить лишний килограмм ради невозникновения усталости. я для себя решил, что нет
avatar

Letchik

0
По поводу диаметра стальных труб, из того, что Никол написал, получается, что первое ограничение — вес из-за большей плотности стали. А будешь сбрасывать вес — эффект «пивной банки».

В общем, статьи-то научно-популярные, даже больше популярные. Лишь очерчивают проблемы.
avatar

Rude_Boy

+4
а еще в глаза бросилось:

Но ведь обычно байки не разрушаются от высоких нагрузок на растяжение 

Рама это ферма. Как правило верх треугольника работает на сжатие, а низ на растяжение, чему свидетельствует рваная кона ниже: 
 

 

 на сам байк нагрузки на растяжение может и нет, а вот на отдельные его элементы она есть.
avatar

Letchik

0
Так были же(есть?) какие-то байки с тросом вместо нижней трубы. Дескать, легче, а смысла в трубе нет ввиду её работы исключительно на растяжение. Правда, неясно, как у них с торсионкой.
avatar

Techno

+1
хочу продолжение, особенно про модный карбон и секретные технологии спешей/скоттов/кадейлов, без прекрас чистые факты
avatar

ilyamaksimov

+3
Мне кажется что в цикле статей про металлугрию от 1994 года будет не очень много материалов про технологии изготовления современных рам из карбона. Это та область, где произошло много изменений за это время. :)
avatar

mor

+11
Немного поправлю терминологию (уж простите, я прочнист :))

То что названо в примечении переводчика «прочность» — предел прочности.

Предел упругости по-русски обычно говорят «предел пропорциональности». Строго говоря, это и есть yield stress, а предел текучести измеряют при относительной пластической деформации 0.2%. Но для общего понимания можно считать, что предел пропорциональности равен пределу текучести и является yield stress, разница между ними очень мала.

buckling — это усточивость. Грубо говоря, если вы возьмёте пустую железную бочку и будете на неё сильно сверху давить, её бока потеряют устойчивость и пойдут волнами. Этот эффект имеет место только при сжатии.

Вязкость — это обычно называют «ударная вязкость».

Формула: 0,196 х ([D4-d4]/D)
D4 и d4 — это диаметры (векшний и внутренний) в четвертой степени. Полярный момент инерции для круглого сечения с отвестием (как кольцо). Строго не 0.196, а пи/32, но не суть.

А вообще статья хорошая. Если не вдаваться в детали — всё понятно.
avatar

Sirota

+1
Плюсанул. Да, когда переводил и разбирался в терминологии пришёл к выводу, что yield stress и proportional limit — разные вещи. Но если бы попытался добавлять комментарии насчёт различий между ними, то рисковал бы полностью запутать читающего.

За комменты спасибо огромное, подправлю текст согласно им.
Последний раз редактировалось
avatar

Rude_Boy

+1
«Ещё один способ увеличить жёсткость – увеличить диаметр трубы и изменить её форму. Гидроформирование и баттинг не влияют на жёсткость.»
 
А гидроформинг разве не есть изменение формы трубы?
avatar

Zomb1e

0
Эти технологии позволяют делать толщину стенки непостоянной, если я правильно понимаю. Жесткость при этом практически не изменяется, а вес несколько падает. (всё таже формула 0.196*(D^4-d^4)/D), в которой вы немного варьируете d)
avatar

Sirota

0
Возможно в 1994г гидроформингом трубы только гнули, без изменения формы сечения, иначе действительно противоречие получается.
avatar

Redeemer

+2
Видимо, это я формулировкой в заблуждение ввёл, не полностью раскрыл мысль. Имелось в виду, что гидроформинг не влияет на свойства жёсткоти металла, а не детали. Об этом, в частности, писал Грэни в своих заметках. Меняя профиль сечения, безусловно, он меняет жёсткость. Поправил.
Последний раз редактировалось
avatar

Rude_Boy

Комментировать


Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь. Сделайте что-нибудь.