Главная Тренировка и выбор деталей Рама... Титан, карбон или алюминий?


Рама... Титан, карбон или алюминий?
Велоспорт - Тренировка и выбор деталей

рама... титан, карбон или алюминий?

Попробуем взглянуть на выбор велосипедной рамы немного с другой стороны, нежели цена. То есть, рассмотреть материал для ее изготовления, основываясь на физических и прочностных характеристиках материалов.


Для этого обратимся к некоторым терминам и определениям физики твердого тела, а именно теории упругости.

Правильный выбор материала является сложной задачей, однозначное решение которой позволяет оптимизировать технологию изготовления, повысить долговечность конструкции в целом. Сейчас для производства велосипедных рам класса hi-end используются только три конструкционных материала: алюминий, титан и карбон. Первые два – это металлические сплавы, а последний - композиционный материал на основе углеволокна и эпоксидного связующего.

Основной механической характеристикой конструкционного материала является предел прочности. Это отношение значения растягивающей силы непосредственно перед разрывом к наименьшей площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Для карбона (на основе углеволокна Т700) эта величина порядка 1500 МПа, для титанового сплава (3Al/2.5V) порядка 800 МПа, для алюминия (6061) порядка 60 МПа. В скобках приведены марки, наиболее часто используемые в велосипедной индустрии.

Следующая важная характеристика – предел текучести, напряжение при котором начинает возникать пластическая деформация, другими словами, при разгрузке от которого возникает остаточная деформация заданной величины. Для карбона такие данные не приводятся, для титана порядка 300 МПа, для алюминия порядка 20 МПа.

Ну и в завершение насколько слов о плотности. Чем меньше плотность, тем легче материал. Плотность карбона около 2 г/см3, титана 4,5 г/см3, алюминия 2,7 г/см3.

Из вышесказанного следует, что у каждого материала есть свои сильные и слабые стороны. Однако, для велосипедной специфики нельзя выделить какое то одно определяющее свойство материала. Например, при лучших прочностных/весовых характеристиках, карбон очень хрупкий и боится ударов и царапин. Алюминий легкий, но пластичный и с низкими прочностными свойствами. Титан прочный и упругий, но сравнительно тяжелый.

Истинная картина проясняется, если рассмотреть свойства каждого материала в целом. Тогда бесспорным лидером становится титан. Это обьяснимо.

Причиной разрушения велосипедной рамы являются не чрезмерные нагрузки, а накопление в процессе эксплуатации изделия мелких внутренних повреждений (которые принято называть трещинками или дислокациями), спровоцированное периодическим влиянием внешних сил (напряженного состояния). Определяющей характеристикой металла, так или иначе реагировать на напряженное состояние, является пластичность.

Пластичность металла есть функция его состояния, зависящая от внешних и внутренних факторов, которая выражается в способности твердых тел необратимо менять свою форму без разрушения под действием приложенных сил. Другими словами, существует некоторая максимальная величина нагрузки, при достижении которой происходит разрыв межмолекулярных связей кристаллической решетки металла, что ведет к образованию внутренних дефектов структуры, которые не могут исчезнуть, а могут только накапливаться. Анализ показал, что у большинства конструкционных металлов наиболее типичным является разрушение, которое начинает развиваться задолго до достижения такой максимальной нагрузки. Виной тому циклические нагрузки. При этом пластические деформации и разрушение оказываются связанными настолько тесно, что их можно рассматривать как единый процесс с общей энергией активации.

Установлено, что разрушению материала от усталости (при циклических нагрузках) предшествует накопление локальных микросдвигов и, следовательно, появление пластических деформаций, исчерпание которых приводит к местным разрушениям.

Всё это говорит о том, что пластичные металлы более подвержены накоплению неупругих деформаций (усталости) и следовательно ресурс их значительно ниже.

Физической характеристикой пластичности металла является предел текучести (условный предел текучести). Эта величина определяет усилие при котором в материале появляется пластическая деформация. Чем меньше предел текучести, тем пластичнее материал, а следовательно меньше его ресурс. Предел текучести алюминия в 15 раз меньше, чем у титана!

Ещё одной причиной разрушения конструкционных материалов являются внешние дефекты (царапины). Стойкость материала к царапинам определяется твердостью. Твердость титана по Бриннелю составляет 103 ед., а у алюминия 25 ед., то есть у титана она в 4 раза выше!

У титана, согласно этой характеристике, есть ещё одно большое достоинство – он очень долго сохраняет первоначальный внешний вид и легко его восстанавливает (с помощью дополнительной механической обработки).

Суммируя всё сказанное, получается, что применительно к велосипедной тематике титановая рама является практически идеальным решением. Также это можно сказать про сочетание титана и карбона (углепластика), которое позволяет создавать велосипедные рамы обладающие уникальными анизотропными свойствами.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Giro d'Italia:

Страницы истории: Giro d'Italia - 1960

News image

Джиро д'Италия стартует в Риме, спустя несколько месяцев после проведения Олимпийских игр. Дино Бруни победитель п...

Страницы истории: Giro d'Italia - 1933

News image

Двадцать первый выпуск Джиро полон нововведений. Воодушевленные введением розовой майки в предыдущем году, организат...

Страницы истории: Giro d'Italia – 1924

News image

Джиро 1924 года стартует без своих фаворитов: финансовые разногласия вынуждают команды отказаться от участия в гонке...

Страницы истории: Giro d'Italia - 1939

News image

В этот год, лидеры сменяли друг друга до самого последнего этапа. Бартали уже на втором этапе надел розовую майку, н...

Новости велоспорта:

UCI опроверг обвинения в сокрытии положительных результ

News image

Представители UCI, Международного Союза велосипедистов, выступили с опровержением обвинений в свой адрес о случаях сокрытия поло...

Майка лидера снова у американца Феррара

News image

Придя третим к финишу на спринте 9-го этапа Джиро Италия, велогонщик команды Garmin-Transitions с громкой фамилией Феррар верну...

Итальянец Винченсо Нибали готов защищать майку лидера в

News image

Cпортсмен Liquigas-Doimo Винченсо Нибали очень спокойно провел Джиро в пятницу, но на этих выходных его ждут два очень напряж...

Генеральный менеджер Quick Step надеется на успех своей

News image

Патрик Лефевр, генеральный менеджер команды Quick Step, в своем интервью Sporza похвалил отличную работу бельгийского спортсмена...

Новости трэка:

News image

Чемпионат России в спринтерском омниуме

На олимпийском велотреке Крылатское завершились чемпионат России в спринтерском омниуме (мужчины, женщины) и всероссий...

News image

В омниуме Дюдя – четвертый, Калитовская – пятая. До мед

В омниуме Дюдя – четвертый, Калитовская – пятая. До медалей не хватило двух очков В омниуме Дюдя – четвертый, Калит...

News image

На чемпионате мира по велотреку Беларусь будет представ

Две белорусские спортсменки — Ольга Панарина и Татьяна Шаракова — выступят на чемпионате мира по велоспорту на треке, ...