В данной статье мы рассмотрим материалы, используемые современной промышленностью для изготовления велосипедных рам. И для того чтобы полнее понять причины использования того или иного материала нам придется воспользоваться некоторыми техническими терминами, описывающими механические свойства материалов. И для этого мы постараемся объяснить эти технические термины так, чтобы они были понятны и увлекающемуся велоспортом школьнику и кандидату наук по филологии. Первым из них стоит упомянуть такое понятие как прочность. Для иллюстрации рассмотрим испытание материала на прочность при сжатии. Возьмем, например брусок, из какого либо материала с размерами граней 1х1 см. См. рисунок 1. Площадь сечения такого бруска составляет 1 кв.см. К верхней грани бруска прикладывается нагрузка, обозначенная буквой P, величину нагрузки будем плавно увеличивать. Когда нагрузка на наш испытываемый материал дойдет до какой-то критической, пороговой величины образец разрушиться. Допустим, наш материал разрушился, когда на его верхнюю грань действовала сила равная 500 килограмм, тогда прочность (на сжатие) будет равна 500 килограмм сил на квадратный сантиметр или коротко 500 кгс/кв.см. В пределах данной статьи мы умышленно не рассматриваем таких более сложных механических нагрузок как изгиб или кручение, для понимания достаточно будет такого самого простого вида нагрузки.
- Рисунок 1. Испытание образца на прочность на сжатие.
- 001.jpg (14.88Кіб)Переглянуто 5635 разів
Удельная прочность – физическая величина, связывающая вместе такие понятия как плотность и прочность. Удельная прочность это предел прочности материала отнесенный к его плотности. Для описания этого понятия возьмем все тот же кубик с размерами 1х1х1 см из алюминия и из стали и предположим, что они разрушились при одинаковой нагрузке P. Но мы помним, что образец из стали весит почти в три раза больше чем образец из алюминия (7,9/2,7=2,92). То есть условно удельная прочность алюминия в три раза больше чем удельная прочность стали. Или, наоборот, при равной прочности кубиков, кубик из стали будет весить в три раза больше чем кубик из алюминия.
Ударная вязкость – эта физическая величина характеризует то, как материал сопротивляется распространению в нем трещины. Но не стоит заблуждаться, эта величина не измеряет то, какие усилия нужны для зарождения трещины, при испытании материалов на ударную вязкость трещина уже зарождена в испытуемом образце, измеряется лишь энергия необходимая для продвижения трещины сквозь материал.
Вот так в небольшом абзаце мы прошли краткий курс науки под названием «Сопротивление материалов» и теперь можем приступить к обзору наиболее популярных материалов рам современных велосипедов.
Сталь – сплав на основе железа. Из стали делаются рамы велосипедов с 1870 года. Самый технологичный и потому самый недорогой материал для велосипедных рам. На протяжении веков разрабатывались новые сорта сталей, совершенствовались виды и способы сварки стальных деталей, ведь именно сварочные швы в любых конструкциях являются самым слабым звеном. Из всех применяемых материалов сталь имеет самую низкую удельную прочность, то есть при равной крепости рам из различных материалов стальная рама, несомненно, будет самой тяжелой. Также из недостатков стальных рам можно подчеркнуть её подверженность коррозии. При эксплуатации велосипеда неизбежно возникнут потертости и сколы лакокрасочного покрытия и на их месте появятся очаги коррозии, которые не только будут портить эстетическое восприятие велосипеда, но и со временем значительно снизят прочность велосипедной рамы. Так же прочностные характеристики стальной рамы очень сильно зависят от примесей в стали. Например, даже незначительные примеси фосфора в стали приведут к тому, что рама на морозе может расколоться даже из-за незначительного толчка. К положительным сторонам стальных рам следует отнести ее высокие амортизирующие способности, высокую ударную вязкость, а также низкую стоимость стальных рам по сравнению с рамами из других материалов. Для велотуристов совершающих длительные путешествия на двух колесах немаловажным фактором будет высочайшая ремонтопригодность стальной рамы. Ведь даже в отдаленном селе сварщик не самой высокой квалификации из местной МТС, сможет за жидкую валюту успешно заварить повреждения рамы, полученные на отнюдь не высококачественных дорогах нашей родины. Но конечно самым главным недостатком стальных рам является их вес, именно поэтому стальные рамы уже вытеснены другими более современными и легкими материалами, имеющими удельную прочность значительно выше удельной прочности стали, о них, и пойдет речь далее.
Хромоль. Хромоль это не сплав хрома и молибдена, как утверждают некоторые не совсем честные продавцы и некоторые интернет ресурсы. Хромоль это сталь, сталь в которую в процессе выплавки добавлены такие элементы как хром и молибден, в металлургии их называют легирующими элементами, а саму сталь легированной. Но широкую известность приобрело название хромоль, а не хромомолибденовая сталь – скорее всего это просто маркетинговая уловка, которая пошла на руку некоторым не совсем честным, или совсем не честным продавцам. Также в качестве легирующих элементов в эти стали могут незначительно вводиться никель, вольфрам, ванадий и даже незначительное количество скандия. Причем содержание всех легирующих компонентов в таких сталях, обычно составляет не более 20%. Добавление в сталь этих легирующих компонентов позволяет примерно в 1,5 раза увеличить удельную прочность сталей и соответственно за счет уменьшения толщины трубок, из которых создана рама, уменьшить её вес без потери прочности. Особое внимание при производстве этих рам уделяется сварочным швам. Как мы уже говорили швы это потенциально опасное место любой сварной конструкции. При сварке легированных сталей очень важно чтобы сварные швы имели такой же химический состав, как и у свариваемых элементов. Но при обычных режимах сварки легирующие элементы в сварных швах интенсивно выгорают, и к тому же неравномерно распределяются по сечению сварного шва – образуют так называемые ликвации, места с повышенной концентрацией того или иного элемента. По этим причинам элементы рам из хромомолибденовых сталей сваривают в горячем состоянии и в среде инертных газов. Такие технологические ухищрения неизбежно повышают себестоимость хромолевых рам, и стоимость их в несколько раз превышает стоимость рам из обычных конструкционных сталей. Основными положительными чертами рам из легированной стали являются, их меньший вес по сравнению с рамами из обычной стали и высочайшие упругие свойства. Рамы из хромоли за счет своих упругих свойств сами являются амортизаторами, рама такого велосипеда может быть сравнена с пружиной автомобильной подвески, из всех видов металлических рам, именно хромолевые рамы обладают наивысшей «Мягкостью». К тому же за счет легирующих элементов рамы из хромомолибденовых сталей имеют неплохую коррозионную стойкость и как стальные рамы имеют высокую ударную вязкость.
Алюминиевые деформируемые сплавы. Вопреки широко распространённому мнению из чистого алюминия рамы не изготавливают. Алюминий в чистом виде очень мягок и пластичен и обладает очень слабыми механическими характеристиками. Для изготовления велосипедных рам используются сплавы алюминия легированные медью, магнием, кремнием имеющие в три раза более высокую удельную плотность, чем сталь. Этот высокотехнологичный материал пришел в велоспорт из авиастроения. Также при изготовлении элементов рам используется так называемый баттинг (Butting) и гидроформование. Баттинг – технологический прием позволяющий изготавливать трубчатые элементы рам с различной толщиной стенок. Дело в том, что по длине трубчатого элемента рамы возникают не одинаковые напряжения и в местах наиболее сильных напряжений толщина увеличивается, а в местах с меньшими напряжениями толщина уменьшается, такой технологический прием позволяет уменьшить на 10-15% вес рамы без потери прочностных характеристик. Гидроформование заключается в следующем, трубчатый элемент рамы помещается в жесткую форму, а внутрь этого элемента под громадным давлением, на уровне 1000 атмосфер, подается горячее масло. Под действием такого давления из трубки круглого сечения изготавливают квадратные, ромбовидные, треугольные, эллиптические элементы рам и элементы с переменным сечением. Так же до тонкостей отлажена технология автоматической сварки алюминиевых рам. Именно рамы на основе алюминия на сегодняшний день являются оптимальным выбором легкости, прочности и невысокой стоимости. За счет того, что алюминий не имеет таких высоких упругих свойств как сталь или хромоль, рамы из алюминиевых сплавов обладают более высокой жесткостью по сравнению со стальными. Также рамы из алюминиевых сплавов имеют значительно меньшую ударную вязкость, поэтому трещины на таких рамах требуют незамедлительного ремонта.
Карбон или углепластик – современнейший материал, и если сплавы алюминия в велосипедную промышленность пришли из авиации, то карбон пришел к нам уже из аэрокосмической техники. Карбон это композиционный материал, где в матрице из эпоксидных смол заключены армирующие углеродные волокна и имеющий удельную прочность в 5-7 раз выше, чем сталь. Армирующие углеродные волокна и придают высочайшие механические характеристики изделиям из карбона. Углеродное волокно достаточно легко можно сломать и очень тяжело разорвать, поэтому углеродные волокна сплетают под различными углами с различными рисунками. За счет правильного моделирования будущих нагрузок волокна углерода укладывают таким образом, чтобы обеспечить максимальную прочность в местах, где возникнут максимальные напряжения, кроме того, карбоновые рамы изготавливаются таким образом, что учитывается не только величина сил воздействующих на раму, но и их направления и будущие максимумы прочность задаются именно в этих направлениях. Такие способность материалов иметь различные свойства в различных направлениях называется анизотропией, возвращаясь к нашему образцу на рис. 1, такой образец из карбона необходимо было бы испытать минимум в трех различных плоскостях, и при каждом испытании мы бы получили разный результат. За счет укладки слоев карбона в разных направлениях удается достигнуть не только высокой прочности, но и высокой ударной вязкости и высокой упругости. Карбон очень легок, его плотность в среднем составляет 1,7 гр/куб.см. поэтому рамы из карбона очень легки. Карбон не обладает такой твердостью, не путать с прочностью, как сталь, поэтому в карбоне нельзя нарезать резьбу или сделать посадочное место для подшипника, поэтому на этапе изготовлении карбоновых рам в них заранее устанавливают металлические элементы. Также карбон обладает очень высокой коррозионной стойкостью, единственное чего боится эпоксидная матрица это ультрафиолетового излучения, но не стоит мчаться и переносить велосипед с балкона в комнату, во-первых, оконные стекла не пропускают ультрафиолет, во-вторых, на этапе производства в эпоксидные смолы добавляют специальные примеси делающие раму стойкой к ультрафиолетовому излучению. Часто приходиться слышать сомнения некоторых скептиков о прочности карбона, но из карбона уже изготавливают лопасти несущих винтов вертолетов, которые без повреждений испытывают колоссальные нагрузки.
Из недостатков карбона можно выделить только один - его высокую стоимость.
Альтернативные материалы в велосипедной раме.
Титан наиболее применяем в велоспорте в виде небольших, цельных изделий: оси, гайки, бустеры тормозов. Изготовление рам из титана ограниченно тем, что титан, не смотря на его высокую удельную прочность, обладает очень плохой свариваемостью. Сварка титана требует очень дорогих сварочных технологий и дотошного рентгеновского или радиационного контроля сварочных швов. Такие технологические приёмы неизбежно увеличивают стоимость титановой рамы близкой к стоимости карбоновой рамы, но значимо проигрывающей ей по весу.
Бериллиевые и магний-литевые сплавы. Эти новые материалы имеют самую высокую удельную прочность среди всех металлов, но их применение ограниченно рядом факторов. Первый из них это новизна этих материалов и отсюда несовершенство технологии производства, отсутствие приемлемых технологий сварки и очень низкая коррозионная стойкость этих материалов. Литий и бериллий очень интенсивно реагируют с обычной водой, то есть при повреждении лакокрасочного покрытия и попытке проехать через лужу ваш велосипед на глазах будет растворяться в воде, причем с интенсивным выделением тепла. Хотя уже сейчас существуют велосипедные рамы из бериллиевых сплавов, но пока по заоблачным ценам.
). Приятно будет прочитать продолжение: разложи велосипед на атомы и собери его в идеальном виде. Он этого достоин! 
), после этого внести туда повреждения...и софтина смоделирует процесс реставрации и ремонта, который будет максимально надежным... 
Пора идти в отпуск...
