Металлургия для велосипедистов от Скота Никола

[devman]

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.

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:
Физические — плотность (density), цвет, электрическая проводимость (electrical conductivity), проницаемость для магнитных волн (magnetic permeability) и тепловое расширение (thermal expansion);
Механические- относительное удлинение (elongation), предел усталости (fatigue limit), твёрдость (hardness), жёсткость (stiffness), прочность на сдвиг (shear strength), прочность на растяжение (tensile strength) и вязкость (toughness);
Химические- способность 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.



Добавлено 17 Авг 2014 в 22:00:12
МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 3

СВЕТЛОЕ АЛЮМИНИЕВОЕ БУДУЩЕЕ

Доброе утро... день... вечер (обвести нужное), класс. Сегодня мы будем изучать алюминий. То, что мы узнаем сегодня, будет основано на знаниях, которые вы получили во время наших двух предыдущих занятий. Вы просмотрели первый урок, обзорный? А второй, про сталь? Хорошо. Сегодняшнее занятие, посвящённое алюминию, станет серединой нашего 6-серийного сериала.

В последнее десятилетие алюминий стал очень популярным материалом для производства рам. В начале 1980-х алюминиевые байки были в новинку и производились лишь небольшой кучкой хай-энд-брендов. Затем в 1982 пришли Cannondale и стали продвигать этот материал на массовом рынке. Сейчас почти каждый средне-крупномасштабный производитель имеет в арсенале хотя бы один алюминиевый байк. Более того, сырья для них более чем достаточно: алюминий – самый распространённый металл в земной коре. И за исключением магния и бериллия, это самый лёгкий металл. Основной источник алюминия – боксит, названный так в честь города, где он впервые был обнаружен – Les-Baux-de-Provence во Франции. В этой руде содержится гидроксид алюминия (Al2O3*2H2O) с примесями железа и оксида титана. Похоже, что лучшего велопромышленность и желать не может: все потребности в металлах удовлетворяются одним разом, а? Не совсем так, поскольку есть более удачные источники титановой и железной руды.


ДЕЛАЕМ ИЗ АЛЮМИНИЯ ТРУБЫ
В целом процесс, который превращает алюминий из земной коры в трубы, пригодные для производства байка или лежака, сложен, противен и энергозатратен. Наиболее важный этап преобразования боксита в алюминий называется методом Байера, потому что изучение его вызовет у вас головную боль (скаламбурил, ибо есть такая немецкая фармацевтическая компания Байер, которая изобрела Аспирин... а также героин и зарин, прим. перев.)... Требуется около 9 кВт энергии для производства одного фунта алюминия – намного больше, чем для стали. И хотя производство алюминия из вторсырья требует менее 5% от этого количества энергии, «девственный» алюминий по-прежнему необходим для производства кованных (wrought) деталей, то есть те которые получаются путём проката (rolled), экструзии (extruded) или вытягивания (drawn).

Сырой алюминий используется для производства ряда сплавов. В велопромышленности кованные алюминиевые детали обозначаются с использованием четырёхзначной системы. В качестве примера можно привести старый добрый 6061. У литых деталей из алюминия между третьей и четвёртой цифрой в обозначении есть точка. Детали, полученные при помощи обоих методов, имеют ещё одну цифру в конце — обозначение закалки. Вы наверняка встречали T4 или T6 в обозначении некоторых сплавов: например, 7075 T6 или 2024 T4. При обозначении литых алюминиевых сплавов указываются холодная обработка (coldwork), закалка (heat treatment) и состаривание (aging), если они применялись при обработке.

Закаливание оказывает огромное влияние на механические свойства большинства алюминиевых сплавов (некоторые из них могут быть подвергнуты закаливанию, а некоторые нет). Если вы приварите нижнюю трубу из 6061 к рулевой трубе из 6061, то в приваренном состоянии прочность у них будет меньше, чем до сварки. Поэтому вам нужно подвергнуть раму закаливанию – состарить её искусственно, чтобы вернуть к прежней высокой прочности. Это относится, например, к материалу Duralcan, использованному в Specialized M2, так как исходно это сплав 6061 и объёмной долей оксида алюминия примерно в 10%. И хотя сплавы 7005, как, например, Easton Varilite, не требуют закаливания после сварки, их по-прежнему нужно искусственно состаривать. При закаливании и состаривании вы имеете дело с твёрдыми растворами, кристаллическиими решётками, насыщением легирующими элементами (alloying constituents), их последующими субмикроскопическими преципитатами и кучей других мелких, но очень важных вещей, которые я не буду обсуждать.

Сплавы, которые нельзя закалить, часто усиливаются за счёт холодной обработки (cold work), также известной как деформационное упрочнение (strain hardening). Вместо изменения структуры за счёт рекристаллизации при холодной обработке структуру меняют при помощи грубой силы: прокат (rolling), вытягивание (drawing), выпрямление (straightening) или расплющивание (flattening). Примеры таких сплавов – 5086 и 5083, которые можно встретить в некоторых рамах. Когда производится закалка (правильнее её следовало бы называть термообработкой) в действительности происходят два отдельных процесса. Сначала закаливание, которое обычно производится при температуре 800-1000 F в течение нескольких часов. Затем алюминий охлаждается до комнатной температуры на воздухе или в воде, в зависимости от сплава. После этого алюминий должен быть подвергнут дисперсионному отвердению (precipitation hardened), также известному как состаривание. Легирующие элементы, которые в процессе закаливания перешли в раствор, с течением времени снова образуют преципитаты, что повышает прочность алюминия. Поскольку легирующие элементы более растворимы при высоких температурах, состаривание, обычно, производится в печи (при 250-300 F в течение 8-36 ч.), что позволяет процессу идти быстрее. Вот что подразумевается, когда вы слышите про искусственное состаривание.

СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Первое свойство алюминия, которые мы рассмотрим, самое простое для понимания и является одним из тех, что делает алюминий столь желанным при производстве рам. Оно называется плотность. Алюминий, как вы уже знаете, имеет плотность равную трети плотности стали и половине плотности титана. Поскольку наша область очень озадачена вопросами снижения веса, алюминий стал очень серьёзным игроком. На самом деле, чем больше я узнаю о материалах, тем более светлым для меня выглядит будущее алюминия. Представьте, что один из новых алюминиевых композитов имеет прочность близкую или равную CrMo с втрое меньшей плотностью. Так как вы хорошие студенты, вы знаете, что нужно рассматривать плотность и прочность в контексте других свойств. Так давайте сделаем это.

Несмотря на низкие значения модуля упругости алюминия, по сравнению с другими материалами, используемыми для производства рам, из него всё равно можно построить жёсткий байк, поскольку низкая плотность позволяет сделать трубы большего диаметра без увеличения веса. Как вы помните из предыдущей части, с увеличением диаметра труб байка значительно возрастает его жёсткость. А поскольку плотность мала, их толщина может быть достаточной, чтобы обеспечить ещё и устойчивость стенок — защиту от эффекта «пивной банки». Как жёсткая рама будет ощущаться при езде – зависит от конкретной конструкции. И Stels, и Cannondale производятся из алюминия, однако никто не назовёт первый жёстким, равно как и второй гибким.

Первый спорный момент у алюминия – относительное удлинение. Насколько алюминий деформируется прежде чем сломаться? Даже рядом не стоял с титаном и близко не был к стали. Однако если вы уже кое-что поняли из этой серии статей, нужно всегда смотреть на другие свойства, прежде чем принимать решение. Действительно, низкое относительное удлинение увеличивает риск «раскалывания» рамы, и при значениях ниже примерно 9%, следует серьёзно подумать и тщательно оценить все аспекты. Также нужно посмотреть на прочность, вязкость и предел выносливости. Мы обнаружим, что алюминий (за исключением пары примеров вроде сплава 5086) не имеет предела выносливости. Это значит, что даже незначительные нагрузки, приложенные достаточное количество раз, приведут к усталостному разрушению. Страшно, не так ли? Сталь и титан хороши в этом плане, а вот алюминий – нет. Но ведь очевидно, что вокруг огромное количество алюминиевых байков, неужели они все сломаются? Нет. Как решается эта проблема? Я задал этот вопрос «сэру» Чарльзу Тейксейре – инженеру из Easton, отвечающему за трубы Varilite (я добавил «сэр», но мы все зовём его Чак). Чак Тейксейра – умный парень и что-то да понимает в материалах. При проектировании он руководствуется несколькими простыми правилами. Одно из них – материал должен быть там, где он нужен. Люди об этом часто забывают. Однако «стальные» парни уже придумали всё ещё 100 лет назад — баттинг (утолщение). Грамотный баттинг может сделать раму прочнее и легче. В действительности, представить себе размеры труб из стали, которые могут быть применены в конкретной ситуации, это хороший способ определить свойства, которыми должны обладать другие материалы в этой же ситуации. Это как раз то, что сделал Тейксейра, когда проектировал отличные трубы Varilite, которые появились в 1990 г. и впервые были применены Дугом Брэдбери на его байках Manitou. Они стали первыми на рынке серийными рамами с баттингом. Trek производил алюминиевый байк с клееными баттированными трубами в течение нескольких лет, но широкого распространения эта технология не получала до недавнего времени. Klein и Cannondale уже в струе, на Specialized M2 баттинг появился в этом году. Трубы Varilite имеют очень толстые стенки в зонах высоких нагрузок, и более тонкие в зонах, воспринимающих меньшие нагрузки. Это позволят распределять нагрузки по всей трубе, и её долговечность увеличивается. Это далеко не ракетостроение, просто грамотное проектирование.

РЕАЛИЗУЯ ПРЕИМУЩЕСТВА АЛЮМИНИЯ
Чтобы реализовать преимущества алюминия, нужно разобраться с присущими ему недостатками. Один из способов сделать это – заложить большой резерв для ошибок. Хотя возможно большое количество разных ситуаций, Тейксейра сказал, что золотое правило, которое он использует, — увеличить статическую прочность трубы в три раза по сравнению с таковой у стального байка. Множество факторов играют роль здесь, поэтому никакого железного (или алюминиевого) правила не существует. Общий смысл такой, что чем меньше изгибание, тем меньше нагрузка, что ведёт к меньшей вероятности усталости металла. Также неплохо распределять нагрузку в зоны, в которых она обычно меньше. В этом состоит идея баттинга, наварок и приливов. Распределение нагрузки по всей трубе также позволяет байку более упругим с «живым» ощущением от езды, а не ригидной конструкцией.

А ещё есть коррозия из-за перенапряжения – другая штука, которая также заставит ваши брови поползти вверх. Если «запороть» искусственное состаривание, то эта штука придёт за тобой. Как видите, перед нами сложная головоломка. Что будущее нам готовит? Я спросил Тейксейру об этом, и его перспектива не была полна чудесных материалов, ранее применявшихся в подшипниках глушителей Space Shuttle'ов или зондах на F-16. Нас ждут некоторые улучшения, но заявления большинства хитрых маркетологов особо не впечатляют. Если посмотреть на всё вместе, то окажется, что победить старый добрый 6061 по-прежнему сложно. Это наиболее универсальный из всех сплавов, у него отличная для алюминия вязкость и хорошее относительное удлинение. Как я уже говорил, и из высокотехнологичной стали, и из обычной CrMoможно построить хороший байк. Это всего лишь вопрос правильного проектирования труб.

Мы узнаем кое-что ещё о новых высокопрочных алюминиевых сплавах и других материалах в экзотической части нашей серии, которая будут в конце, после титана и углеволокна. И как вы уже догадались в следующей части нашего heavy metalречь пойдёт о титане.

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 4

ТИТАНОВЫЙ АРГУМЕНТ

Ассоциация по разработке титана называет титан «материалом выбора», и в велоиндустрии есть много людей, согласных с ними. Четвёртая часть серии посвящена этому загадочному и дорогому металлу. У него отличная репутация: малый в

[devman]

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 4

ТИТАНОВЫЙ АРГУМЕНТ

Ассоциация по разработке титана называет титан «материалом выбора», и в велоиндустрии есть много людей, согласных с ними. Четвёртая часть серии посвящена этому загадочному и дорогому металлу. У него отличная репутация: малый вес, суперпрочность, в том числе усталостная, волшебные ощущения от езды... и нехилый ценник. Так давайте разберёмся, что за физические характеристики обеспечивают титану такую завидную репутацию.

Титан – не такой редкий металл, как вам может показаться. На самом деле, он один из наиболее распространённых металлов в земной коре после алюминия, магния и железа. В действительности, титана в коре содержится больше, чем хрома или молибдена – двух необходимых ингредиентов, сопутствующих железу и используемых для производства байков из стали.

ПЛОТНОСТЬ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА
Как мы выяснили в прошлый раз, плотность – огромное преимущество алюминия. Титан также неплох в этом отношении. И хотя его плотность почти в два раза больше, чем у алюминия, она составляет всего лишь 56% от таковой у стали.

Второе свойство – жёсткость, или модуль Юнга. Титан, используемый в большинстве рам, имеет модуль упругости в районе 15 млн фунтов/дюйм2 – примерно половина от стали. Это значит, что титан и сталь примерно сравнимы, когда речь идёт об отношении жёсткости к весу. Раньше мы уже выяснили, что жёсткость зависит от конструкции и свойств используемого материала. Всё это относится и к титану: можно построить и жёсткую, и «играющую» раму — зависит от исполнения. Из-за зависимости между высокой прочностью, низкой плотностью и умеренным модулем упругости большинство производителей выбирают диаметр труб, который позволяет сделать езду мягкой и амортизирующей. Но при попытке сделать титановую раму сверхлёгкой модуль упругости становится проблемой, т.к. рама становится слишком гибкой. Речь идёт о рамах с весом в районе двух фунтов. Построить сверхлёгкую раму сложная задача для любого материала, включая титан.

БОЛЬШИЕ ПЛЮСЫ ТИТАНА: ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЛИНЕНИЕ И ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ
По первым свойствам у титана пока два вторых места при сравнении со сталью и алюминием. Но если мы посмотрим на третье свойство – относительное удлинение – то здесь титан далеко впереди любого из материалов. Это свойство показывает, насколько деталь изогнётся, прежде чем сломаться – защитный фактор для конструкторов рам. Относительное удлинение титана составляет 20-30%. Для сравнения, стандартная сталь – 10-15%, а высокопрочная сталь – 6%. Алюминий, как правило, — 6-12%, высокопрочный алюминий – там всё описывается числом с одним знаком (сигнал тревоги звонит очень громко). Всё, что имеет низкое относительное удлинение, называется хрупким. Хрупкая рама – плохая вещь.

Прочность титана на растяжение также великолепна. Предел текучести для сплава 3/2,5 (чаще всего встречающегося в велосипедных рамах) с низкотемпературным отпуском (cold-worked-stress-relievedyield strength) обычно составляет 100-130 ksi или больше. Это больше, чем у многих типов стали. Помните, что это при потрясающих значениях относительного удлинения и почти в два раза меньшем весе. И мы ещё не сказали ничего про вязкость и предел выносливости.

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ
Усталостная прочность – ещё одно свойство, где титан хорош (вы можете спросить: «Он вообще скажет что-нибудь плохое про титан?»). Как уже говорилось в предыдущих частях, нет чёткого способа измерения усталостной прочности, который скажет, сколько проживёт рама. Велосипедные рамы подвержены воздействию различных сил в случайной и повторяющейся манере. Титан и сталь имеют определённый порог, при нагрузках ниже которого они никогда не разрушатся. Почти ни один сплав алюминия (включая с композиты с металлической матрицей), магния и бериллия, используемых в велопромышленности, не имеют предела выносливости, так что при проектировании нужно учитывать эту проблему, что объяснялось в предыдущих частях.

А ТЕПЕРЬ ПЛОХИЕ НОВОСТИ...
Плохих сторон у титана несколько, и они мешают ему стать вездесущим. Первая – он дорогой. Не только в плане энергии, которая необходима для экстракции этого металла, но и в плане его обработки. Вторая проблема – производство. Вы конечно слышали, что титан сложно варить и осуществлять его машинную обработку. Говоря более точно, титан варится и обрабатывается совсем по-другому. Он не прощает халтуры. Требуется особая чистота и педантичность. Без этого есть риск контаминировать сварные швы, что приведёт к их катастрофическому разрушению. На недавней гонке Cactus Cup я встретил парня на титановом байке, у которого оторвалась рулевая труба. Беглый осмотр подтвердил мои подозрения — контаминированная сварка. Машинная обработка титана может быть мечтой или кошмаром, в зависимости от используемого подхода. При использовании правильных скоростей, механизмов подачи и режущих головок, с ним проблем не будет.


Если у стали проблемы с плотностью, у алюминия проблемы с прочностью, то какие проблемы у титана? Основная – модуль упругости. Даже если построить байк из высокопрочного титана 6/4, модуль останется тем же. По мере увеличения диаметра труб и уменьшения толщины их стенок, жёсткость увеличивается, а вес уменьшается. Но если мы захотим сделать рамы сверхлёгкой с использованием стандартных методов, стенки будут настолько тонкими, что снова появится эффект «пивной банки». Однако есть несколько способов решения этой проблемы. Несколько производителей уже выпускают титановые байки с внешним баттингом, внутренним баттингом, гидроформированными трубами, штампованными трубами или комбинацией этих вариантов. Следите за инновациями в этой области, которые будут внедряться в погоне за сверхлёгкими рамами с необходимой жёсткостью.

Будет ли титан материалом выбора в будущем? Его репутация «волшебного» металла вряд ли будет поставлена под сомнение ещё некоторое время. Но даже при этом вы увидите большую активность от производителей алюминиевых байков, которые совершенствуют своё мастерство, и чьи рамы будут становиться прочнее, легче и дешевле, представляя отличную ценность для покупателей. Титановые ребята, однако, тоже не будут сидеть сложа руки и молча наблюдать за происходящим. Litespeed уже выпускают горные и шоссейные рамы с ценником в районе 1000 долл. И хотя мы вряд ли увидим экстремально низкий ценник, постоянные улучшения в технологии производства труб и обработке сохранят интерес к титану и его репутацию на высоком уровне.

В следующем выпуске «башковитых металлов» мы рассмотрим углеволокно.
Добавлено 17 Авг 2014 в 22:05:57
МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 5

ОГРОМНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ УГЛЕВОЛОКНА

Если вы прочитали предыдущие части этой серии о велосипедной металлургии, то узнали многое о важных физических свойствах алюминия, титана и стали, которые нужно принимать во внимание при проектировании рам из этих материалов. В этой части мы выйдем за пределы железной реальности и рассмотрим мир композитных материалов на основе углеродного волокна применительно к велосипедным рамам.

ЧУДЕСНЫЙ МИР КОМПОЗИТОВ
Термины «углеродное волокно» и «композит» употребляются как взаимозаменяемые, хотя не все композиты являются углеволокном. Например, и фанера, и бетон – композитные материалы. Термин «композит» обозначает комбинацию материалов, которая позволяет добиться улучшенных свойств, отсутствующих у материалов по-отдельности (бетон – композит из цемента, песка, щебня и воды, салат оливье – композит из майонеза, гороха, кишечной палочки и традиций).

Говоря по-научному, под композитами понимают материалы, в которых какие-либо частицы, короткие или длинные волокна распределены в матрице. Так, в Duralcan'е, композите с металлической матрицей, применяемом в Specialized M2, короткие волокна оксида алюминия распределены в металлической матрице из 6061. В случае же улучшенных (advanced) композитов, применяемых в велостроении, длинные волокна встроены в матрицу (как правило, эпоксидную смолу). Когда говорят «улучшенный композит», как правило, подразумевают, что волокна длинные, их объёмная доля составляет 50%, и они имеют механические свойства лучше, чем у стекловолокна. Волокна могут быть из углерода, кевлара (он же арамид), бора, керамики, карбида кремния, кварца, полиэтилена... и других материалов, о которых я не знаю.

ПРОСТАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Упрощённое объяснение терминологии, которая будет употребляться. Волокно – одиночная нить усиливающего материала. Длинные волокна располагаются параллельно в виде пучка и соединяются друг с другом при помощи клея, или матрицы (matrix). Одиночная «укладка» подобной матрицы называется слоем (ply), несколько слоёв формируют ламинат (laminate). Слои могут быть уложены под различными углами, что позволяет добиваться различных характеристик ламината. Если вы запамятовали термины, употребляющиеся в этой серии, такие как прочность на растяжение и удлинение, перечитайте первую часть, чтобы убедиться в правильном их понимании, так это важно для дальнейшего обсуждения.

ЦИФРЫ ВЫГЛЯДЯТ КРАСИВО
Если вы взглянете на параметры углеволокна, вашей первой мыслью будет, что глупо пытаться сделать раму из чего-то другого. Но поскольку вы сообразительные студенты Школы Велосипедного Мозголомства, то вы знаете, что нужно смотреть не только на цифры, но и на то, что написано мелким шрифтом внизу. И вот вам: работая с углеволокном, всё, что вы знали до этого, придётся выкинуть в окно.

Действительно, потенциал рамы из композитных материалов огромен. К сожалению, результаты некоторых попыток построить рамы из композитов были менее чем удовлетворительными. Есть много причин, по которым композитные рамы часто ломались в прошлом, но проблема не в материале. В это сложно поверить, но даже учёные-ракетчики иногда ошибаются. Ситуация напоминает то, что случилось с титаном в 1970-х гг. Teledyne построила несколько рам, которые сломались не потому, что материал был неудачным, а потому что конструкция была неудачно спроектирована или плохо изготовлена. То же самое произошло с композитами, поэтому имидж этих материалов не так хорош, как хотелось бы.

Типичная проблема конструктора – недоценка сложности велосипедной рамы. Поскольку карбоновые детали не очень прощают просчёты (в отличие от металлов), конструкция и её изготовление начинают играть гораздо более важную роль. Иногда и конструкция не является причиной разрушения: например, удар о большой камень нижней трубой. Она может и не сломаться от такого удара, но могут появиться отражённые повреждения с внутренней стороны ламината или внутри него. В матрице могут появиться микротрещины, что снизит способность волокон передавать нагрузку. Металл в целом ведёт себя лучше в таких ситуациях, хотя можно сделать и металлическую раму, которая тоже сломается без предупреждения.

СМОТРЯ КАК ПОЛОЖИТЬ
К чему я подвожу, это факт, что композитные материалы очень сложны... намного сложнее, чем металлы. К сложности материала добавляется ещё и сложность самих конструкций, не таких простых, как металлические. Как вы уже уяснили из этой серии, конструктор металлических деталей работает с двумя переменными: вид материала и геометрические параметры (типа, размера труб, их формы и толщины). Но чокнутые «композиторы» работают не только с этими двумя переменными, но также должны определить, как слой будет сориентирован. К сведению, две структуры с идентичными геометрическими параметрами, весом и композитным материалом, но с разной ориентацией слоёв могут дать кардинально разные результаты. Это справедливо не только для параметров, которые можно ощутить сразу, например, жёсткость. Нагрузка, при которой происходит разрушение, и сам режим разрушения также могут также разительно отличаться. Это при том, что режимов разрушения композитных структур дофига: «взрыв» ламината, выпадение волокон из матрицы, разрушение первого слоя, растрескивание матрицы и деламинирование. А я ещё думал, что металлические байки сложны...


Ещё одна трудность – геометрическая форма рамы. Конечно, можно построить рамы из примитивных труб и узлов (подразумеваются картека, рулевой стакан и т.д., прим. перев.), как это делают Trek или Giant, но ведь их также можно интегрировать, сделав свою собственную форму, как Kestrel или Look. В первом случае у конструктора хотя бы есть ориентир в виде металлических рам, от которых можно отталкиваться, но когда речь заходит о новой форме, нужно заново писать все уравнения.

ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ И СЖАТИЕ
Давайте посмотрим на физические свойства, которые мы затрагивали, когда говорили об алюминии, титане и стали, и посмотрим, насколько с ними совпадает карбон (или не совпадает). В лаборатории прочность измеряется при помощи теста на растяжение: образец растягивают до тех пор, пока он не разрушится. Представьте, что этот тест проходит пучок карбоновых волокон. Результаты очень хорошие. В действительности, результаты невообразимо хороши.

Но как карбон себя ведёт при сжатии? Сам по себе не очень хорошо, примерно как макароны. Нужен некий клей, чтобы соединить волокна вместе, и дать материалу прочность на сжатие такую же, как и на растяжение. Матрица соединяет всю эту дезорганизованную массу волокон, распределяя нагрузку между ними и слоями. Поскольку именно матрица и волокна формируют композит, будем рассматривать их исключительно вместе.

ПЛОТНОСТЬ И МОДУЛЬ УПРУГОСТИ
Рискуя быть обвинённым в сравнении яблок и апельсинов, я опишу лишь некий средний карбон. Относиться к этому можно по-разному, я же провожу сравнение лишь для того, чтобы поддержать целостность серии. Плотность ламината где-то в районе 0,056 фунтов/фут2, что примерно 60% от веса алюминия, нашего предыдущего лидера в этом плане. Модуль упругости стандартного не самого понтового карбонового волокна составляет порядка 30-33 msi, что примерно на 10% выше, чем у стали, до этого самого жёсткого из материалов, которые мы рассматривали. Как видите, у нас тут весьма лёгкая и жёсткая штучка.

Если мы добавим эпоксидную смолу, то всё станет интереснее. Объёмная доля волокон в хорошо сделанном ламинате составляет 62-65%. Правило смешивания (rule of mixtures) говорит, что модуль упругости пропорционален доле волокон в матрице, поскольку почти все механические свойства обеспечиваются волокнами. Другими словами, матрица лишь передаёт нагрузку волокнам. Таким образом, если мы начнём с модуля в 30 msiи лишь 65% волокон в матрице, в конечном итоге придём лишь к трети исходного значения модуля упругости, равной 18-21 msi. Всё равно не так плохо: плотность равная трети титана, и модуль упругости на 25% выше.

Этот модуль упругости, однако, только для нагрузок направленных параллельно волокнам (0 градусов), тогда как мы знаем, что велосипед получает разные нагрузки в разных направлениях. Матрица хорошо держит волокна вместе, поэтому они не гнутся под комбинированой нагрузкой. Теперь давайте перевернём слой так, чтобы измерить модуль упругости в направлении перпендикулярно волокнам. Мы получим жалкие 1,5 msi или типа того, то есть модуль упругости самой эпоксидной смолы. Блин! Что ещё хуже, так это то, что модуль упругости резко падает в диапазоне между 0 и 30 град., и низкие значения сохраняются вплоть до 90 град. Это важно, поскольку велосипедные трубы (или детали) подвержены как продольным, так и торсионным нагрузкам. Решение? Добавить слои, которые будут располагаться под разными углами (чаще под 45 град.) к первому 0-градусному слою. Опять же, это лишь общие цифры, указанные ради простоты сравнения.

Что крайне прикольно в возможности укладывать слои в ламинате, так это то, что можно задать точные характеристики трубы или детали, которые вы хотите получить. Жёсткая на скручивание, мягкая на сгибание. Мягкая и там, и там, жёсткая и там, и там. Вы определяете характеристики, материал вам их не навязывает. Это свойство называется анизотропией, и это то, чего нет у металлов.

СЛАБОЕ ЗВЕНО – УДЛИНЕНИЕ
Время плохих новостей: слабое звено карбона – удлинение. Удлинение – ваша страховочная сеть, но в случае углеволокна оно низкое-низкое-низкое. Конечно, в зависимости от укладки, из углеволокна можно выжать какое-то удлинение. Например, можно уложить слои под углом 45 град., но в целом мы имеем дело с материалом, который не изобилует текучестью. Композитные структуры не предполагают пластической деформации. Если они разрушаются, они разрушаются сразу, так что конструкторам приходится сильно страховаться. Это схоже с тем, что делают конструкторы, работая с алюминием, с целью преодолеть его низкое удлинение. Большинство производителей держат в тайне то, как они укладывают слои, так что получить подробную информацию не всегда просто. Чтение руководства Trek'а позволило выяснить параметры фирменного процесса компании, исходя из приведённого в нём отношения модуля упругости к плотности. Перевернув эти цифры, получаем модуль упругости в 8 msiдля конкретной «укладки» Trek OCLV.

Прочность улучшенных композитов очень высока. Прочность (при угле 0 градусов) стандартной карбоновой ленты (структурный элемент) составляет 300 ksi и больше.Если же посмотреть на конечный результат, то прочность ламината будет выше 100 ksi и это при очень низкой плотности. Конкретные значения у Trek составляют порядка 115 ksi. Смотрите, Trek'овский ламинат имеет модуль упругости в 8 msi и прочтность в 115 ksi. Сравним с алюминием. Жёсткость карбона на 20% ниже, но он на 40% легче, и в два раза прочнее, будучи при этом по-прежнему на 40% легче. Весьма впечатляет.

ЗАМЕЧАТЕЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ

Каково будущее улучшенных композитов? Их репутация однозначно становится лучше. Отвратительные неудачные карбоновые проекты канули в лету, появились весьма успешные производственные линии. Сейчас два самых крупных игрока – это Trek с их OCLV-моделями и Giant, производящий велосипеды под несколькими торговыми марками, включая свою собственную. Проведя опрос нескольких людей из области, я полагаю, что карбоновых байков сейчас продаётся в два-три раза больше, чем титановых. Удивительно, учитывая весь ажиотаж вокруг титана. Но если вы посмотрите на то, насколько недорогими являются рамы от Trek и Giant, всё встаёт на свои места.

Будущее байков из композитов с большой вероятностью будет таким же, как то, что я предсказывал алюминиевым: улучшения в материалах будут играть меньшую роль, чем процесс проектирования и производства, которые позволяют выжимать из материалов всё самое лучшее.

Стив Левин – менеджер по разработкам в Schwinn, оказал значительную помощь Скоту Николу при написании этой статьи. Спасибо, Стив.

В следующий раз: причудливая природа экзотических материалов.
Добавлено 17 Авг. 2014 в 22:06
МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 6

ПОПРОБУЙТЕ ЧТО-НИБУДЬ НЕОБЫЧНОЕ

Вы, возможно, подумали, что в этой шестой части серии мы закончим с нашим предметом. Вы ошиблись. Я добавил седьмую часть, потому что осталось много чего обсудить. И потому что мне так нравится это делать...

В этот раз мы поговорим об экзотике: материалах, которые мы не рассматривали, когда говорили про алюминий, сталь, титан и композиты из углеволокна. В последней части серии будет больше об этих экзотических материалах, плюс подведение итогов и, может быть, загадка. Я представлю вам материалы с фантастически параметрами, а вы можете попробовать угадать, что это за материалы, и почему они отстойны при производстве велосипедов.

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ

В предыдущей части рассматривались композиты на основе углеволокна (это не металл, и об этом было сказано в прошлый раз). О чём я специально не упомянул, чтобы не путать читателя, это различие между термореактивными (thermoset) и термопластическими (thermoplastic) композитами. Велосипеды из карбоновых композитов, которые вам встречаются, относятся к термореактивным. Новичок на нашей сцене – термопластический композит. Разница между ними примерно такая же, как между хлебом и шоколадом.

Процедура производства детали из термореактивного композита примерно такая (в скобках — выпекание хлеба). Вы смешиваете ингридиенты (мука, вода и дрожжи), кладёте это всё в форму (---), нагреваете (духовка), происходит химическая реакция (дрожжи бродят). Вуаля, чудохлеб! Но с этого момента пути назад нет. Вы не можете переплавить хлеб и начать всё заново.

Конструирование из термопластического композита включает смешивание ингредиентов и нагревание их до тех пор, пока не произойдёт изменение их фазы (то есть плавление). Чтобы получить раму, нужно добиться, чтобы материал застыл в нужной форме, но если этого не произошло, то его можно переплавить и переформовать заново. Количество раз, которое вы можете это сделать без снижения свойств, зависит от используемого материала. Также, в отличие от термореактивных композитов, работа с которыми требует дегазации, во время плавления не будет вонять. Материал также должен быть пригоден к повторной переработке как переформовкой, так и измельчением и использованию в новой «смеси». Из-за способности к переформовке и переработке, а также заявлений о том, что он не издаёт противного запаха, некоторый люди называют этот материал «зелёным».

Единственный пример использования этой технологии в велоиндустрии, о котором я знаю, — байк, сделанный Yeti совместно с Kaiser Aerospace и Penske. Важным свойством термопластических материалов является их сопротивляемость ударам, которая значительно лучше, чем у термореактивных материалов. Эпоксидная смола ведь относительно хрупкая, а хрупкое не друг велосипедному. Отрицательная черта термопластиков – их сложно с чем-либо соединить. Учитывая историю композитных деталей, а также количество мелких деталей, которые нужно прикрепить к велосипедной раме, это может быть значительной проблемой.

МАГНИЙ
Представьте себе металл с плотностью, равной половине алюминия, прочностью лучше, чем у 6061 и удлинением в районе 10-11%. Я описываю магниевый сплав, который в данный момент тестируется Easton. И хотя магний не славится текучестью, Easton заявляет, что материал выглядит многообещающе при этих показателях удлинения. Несмотря на низкий модуль упругости, порядка 6 msi, это не является непреодолимой проблемой. У алюминия тоже относительно низкий модуль упругости, но это не значит, что алюминиевая рама не может быть жёсткой. То же самое справедливо и для магния. В действительности низкий модуль упругости многими даже приветствуется.

Одна проблема, которую необходимо решать в случае с этим металлом, — крайне выраженная коррозия. Оставьте магниевую деталь под дождём, и она растворится быстрее, чем что-либо, за исключением неокрашенной стали. Эта проблема решается правильной обработкой поверхности, такой как покраска или анодирование.

Одно из невидимых «преимуществ» магния: если вам нужен огонь, просто соскоблите стружку с дропаутов и подожгите её. Она легко загорится. Если хотите мини-Гинденбург – добавьте воды. Кислород и водород воды диссоциируют, чему способствует магний. Кстати, с титаном такая же байда, просто начать всё это немного сложнее.

КОМПОЗИТЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АЛЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ


Я уверен, что вы слышали о них. Specialized уже несколько лет продвигает свой M2 как сделанный из таких труб  Duralcan. Этот материал – сплав алюминия (в велоиндустрии используется 6061 или 7005), соединённый с керамикой, в случае M2 это оксид алюминия (Al2O3). Duralcan запатентовали процесс, при помощи которого они добавляют Al2O3 в алюминий, пока тот находится в расплавленном состоянии в ваккуме.

Преимуществ у этого процесса множество, но для нас, велосипедных жмотов, важно, что производить данный материал дёшево. Если вы уже слышали про Al2O3, так это наверняка потому что обрабатывали что-то наждачкой на основе Al2O3. Если это так, то у вас в руках было то же самое, что добавляется в эти трубы: 600 зерен оксид алюминия на см2. Всё верно, наждачная бумага. Добавление разных долей Al2O3 даёт разные результаты. В M2 массовая доля Al2O3  примерно 10%. Изменение доли керамики позволяет корректировать механические свойства. Добавьте больше Al2O3 — увеличится жёсткость, но пострадают удлинение и вязкость. При массовой доле 10% материал имеет на 8% более высокий предел текучести и на 20% более высокую жёсткость. Компромиссом является снижение удлинения, но до приемлемых 10%.

Вы скажете, что алюминиевые байки достаточно жёсткие. Да, но как вы знаете, жёсткость зависит от конкретной конструкции. Представьте, что вы проектируете задний треугольник байка и хотите определённый уровень жёсткости, а также достаточное количество грязевого просвета для резины, пяток, покрышек и звёзд. С трубами малого диаметра добиться этого проще, и если вы хотите жёсткости с маленькими трубами, то большой модуль упругости будет преимуществом. При большом модуле упругости вы также можете уменьшить размер основных труб рамы так, что они не будут напоминать гигантские сосиски.

Осязаемое преимущество возможности изменить модуль упругости разных труб в разных условиях то, что там, где жёсткость важна, вы можете её добиться. Если вы озабочены проблемой текучести, например, в районе соединения рулевой трубы, мы можете усилить и это свойство. Эти относительно небольшие, но очень важные изменения – отличный пример того, что составляет эволюцию велосипедных рам.

Термообработка проводится почти также, как и у сплава 6061. Если вы не хотите или не можете нагреть трубу, то в композитах с металлической матрицей будет применён сплав 7005. И хотя пока такие композиты не получили широкого распространения, я уверен, что кода будут представлены  модели 1995 г., вы их увидите. Показатели прочности почти не меняются по сравнению со стандартным 7005, но при этом вы получаете упомянутое увеличение модуля упругости.

Я воздержался от обсуждения большой проблемы, что эти композиты не пригодны для сварки, хотя имеют прекрасные механические свойства. Они очень важны при производстве велосипедов, но конструкторам приходится использовать другие способы соединения труб.

В целом, если вы посмотрите на композиты с оксидом алюминия, то они не сильно выбиваются из общей картины. Есть небольшие улучшения в механических свойствах и определённые недостатки. Что наиболее важно, как я говорил много раз в этой серии, так это грамотное проектирование всей конструкции. Достаточно для одной заметки? В заключительной части я рассмотрю три других композита с металлической матрицей, бериллий и AerMet 100, вброшу про загадочный металл и подведу итог.

МЕТАЛЛУРГИЯ ДЛЯ ВЕЛОСИПЕДИСТОВ ОТ СКОТА НИКОЛА, ЧАСТЬ 7

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ГЛАВА

Конец близок. Это седьмая часть серии из шести частей о металлургии применительно к велосипедам. Мы расширили серию, но в этой заключительной части (я обещаю, что она заключительная) мы закончим разбирать экзотические материалы, а затем я представлю вам загадочный материал, над которым вы можете поломать голову.

АЛЮМИНИЕВЫЙ ЛИТИЙ

Я представляю, как рекламщики будут сходить с ума: «Излечение от маниакальной депрессии! Попробуйте новый литиевый байк! Чувствуете, что сходите с ума? Лизните верхнюю трубу!» Всё верно, литий, как в препарате для лечения маниакально-депрессивного психоза, применяется для повышения механических свойств алюминиевых сплавов. В действительности литий используется в виде карбоната лития, производного металлического лития.

Беглый взгляд на параметры литиево-алюминиевых сплавов обнаруживает крайне впечатляющие результаты, среди которых высокая прочность и жёсткость. Так почему мы не видим литиевых байков? Мои попытки выяснить больше о литиевых сплавах натолкнулись на кучу секретности, дезинформации и противоречий. Выяснилось, что литиево-алюминиевые сплавы используются уже в течение многих лет, но никто не производит из них трубы для байков или для какого-либо коммерческого применения вообще.

У тех, кто работает с металическим литием, он скорее вызовет маниакальную депрессию, чем вылечит её. Видите ли, с литием сложно работать. Алюминий и литий вместе имеют ещё больше недостатков. Минимальные количества лития могут вызвать контаминацию во всём производственном цеху. Литий нестабилен... и любит кислород. Поэтому экструзию нужно проводить медленнее, а закалку дольше.

Закалка крайне важна... и её легко запороть. Если проводить закалку слишком долго или при слишком высокой температуре, литий может окислиться. В итоге вы останетесь почти с чистым алюминием. Поскольку в сплавах содержится только около 2% лития, он легко исчезнет из них совсем. Требования к обработке также являются проблемой, которая значит только одно: дорого.

Хотя мы и не можем использовать чистый литий для производства рам, зацените его сравнение с другими металлами. Литий – номер три в периодической таблице. Он легчайший из металлов и намного менее плотный, чем бериллий. Плотность бериллия и магния составляют две трети аллюминия, который составляет две трети титана, который составляет половину плотности стали. Сложная последовательность отношений (они приблизительны, но достаточно точны). Теперь вы видите, почему эти материалы так заманчивы.

Одна вещь, о которой вам нужно знать, когда вы будете смотреть на параметры лития, это то, что при этом он может находиться в состоянии T-8. Это круто и стильно, если вы производите хоккейную клюшку или бейсбольную биту, которые не требуют сварки. Но при производстве байка литий более не будет в состоянии T-8 (закалённый, состаренный и нагартованный). В более реалистичном состоянии, например, T-6, показатели прочности будут более приземлёнными.

У этого материала отличный потенциал, но исходя из моих исследованиях, проведённых при подготовке этой статьи, есть производственные проблемы, которые ещё предстоит преодолеть. Один вопрос: «Сможете ли вы его раздобыть?». Ответ: «Да.» Следующим вопросом будет: «Сможете ли вы производить из него?» Я бы хотел ответь «да» второй раз.

КАРБИД БОРА И КАРБИД КРЕМНИЯ

Другие материалы, которые можно добавить к алюминию, чтобы сделать композит с металлической матрицей, — карбид бора (B4C), который содержится в материале Боралин, и карбид кремния (Si4C). Если добавить эти материалы в алюминий, можно теоретически получить замечательные улучшения. Но обработка этих материалов имеет ряд трудностей. Карбид кремния весьма реактивен и может сломаться в зоне сварки. Будучи расплавленным, карбид кремния может реагировать с образованием карбида алюминия. Карбид алюминия очень плох в плане прочности и реактивен настолько, что растворяется в воде. Подобная реакция с участием карбида кремния может случиться из-за плохой техники сварки, что также может произойти и с композитом с металлической матрицей, содержащей оксид алюминия, правда в меньшей степени. По очевидным причинам карбид кремния не нашёл широкого применения при производстве велосипедов, хотя его механические свойства могут показаться привлекательными.

Карбид бора – материал, применяемый в Боралине, а также других усиленных бором алюминиевых сплавах, которые находятся в разработке (некоторые из них сейчас тестируются различными производителями). Вы вряд ли увидите их раньше 1995 г., но есть большой шанс того, что они появятся. Pacific Metal Craft призводит сплав, который они называют B4C, и если заявления компании правдивы, то это многообещающий сплав. Добавив 15% карбида бора в базовый сплав 6013, PMC заявляет, что смога добиться предела текучести в 52-56 ksi, предельной прочности в 65-72 ksi  при модуле упругости 14-15 msi (много для алюминиевого сплава) и удлинении в 4,5-6%. Сплав 6013 – высокопрочный сплав с хорошей вязкостью разрушения (fracture toughness) для алюминия. Но когда вы добавляете керамику (B4C), вязкость разрушения снижается.

Одно из преимуществ этого сплава это простота работы с ним. Но помните, что сплавы с карбидом бора можно изготавливать по-разному, как и базовые сплавы. Так что последнее слово в этих материалах ещё не сказано.

БЕРИЛЛИЙ

В это сложно поверить, то есть металл значительно более дорогой, чем титан. Это бериллий. Он имеет плотность примерно две третьих от алюминия, так что он легко попадает в категорию металлов, не имеющих проблем с этим параметром. Более того, у бериллия замечательные механически свойства, и плотность лишь одно из них. Удельная прочность (specific strength, прочность, поделённая на плотность) бериллия очень высока. Удельная жёсткость (specific stifeness, модуль упругости, поделённый на плотность) самая высокая среди всех металлов на Земле... или внутри неё. Но бериллий редок: его концентрация в земной коре примерно 6 мг/м3. Богатых залежей этого металла не существует, и одно из следствий этого – высокая стоимость: в сравнении с алюминием он дороже в 200 раз!

Вот некоторые конкретные параметры трубы из прокатного бериллия: предельная прочность 44 ksi и модуль упругости 44 msi, которые в купе с низкой плотностью дают феноменальные показатели удельной жёсткости... намного выше, чем у любого другого металла. Для сравнения, модуль упругости стали лишь в районе 30 msi, а плотность в 5 раз выше, чем у бериллия.

Достаточно хороших новостей? Плохие новости заключаются в отвратительных показателях удлинения: 2% в продольном направлении и 0,2% в поперечном. На планетах, где температура около 390 град. по Фаренгейту, удлинение бериллия может достигать 23%. К сожалению, на Земле всё не так хорошо. Интересная запись в одном из учебников по инженерной механике: «Значения текучести слишком низки, 0 в поперечном направлении.»  Ой!

К счастью есть альтернатива экструдированному бериллию. Она называется прокатные листы (cross-rolled sheet). Бериллиевый байк, произведённый Brush-Wellman (вертикально интегрированная бериллиевая компания) сделанный для выставки American Bicycle Manufacturing пару лет назад, быль изготовлен из листа, что позволило получить более высокие показатели удлинения (более 10%), предельной прочности и прочности на разрыв. Для производства байка, прокатный лист был скатан в трубы и сварен.

В продолжении плохих новостей – бериллий кладёт на лопатки другие металлы по токсичности. Бериллиевая пыль может убить вас. Вдыхание бериллиевой пыли вызывает бериллиоз, воспаление лёгких.

Из-за стоимости, текучести, токсичности чистый бериллий коммерчески непригоден для производства велосипедных рам. Нет, вы, конечно, можете сделать байк, как тот выставочный образец за 25 000 долл., но сложно назвать такой проект коммерчески выгодным.

Brush-Wellman также создали сплав на основе алюминия с добавлением бериллия. Металл был запатентован под названием AlBelMet и является многообещающим для производства деталей для велосипедов. Этот материал уже коммерчески доступен на других рынках, например, для производства компьютерных дисков. Beyond Fabrications из Сан-Хосе, Калифорния производят подседельные штыри и рули из него. По словам представителя Brush-Wellman рамы на подходе. Всего компания имеет четыре сплава из AlBeMet, в которых доля бериллия варьирует от 30 до 62%, что даёт им следующие механические свойства:

Сплав AlBeMet: 130  140  150  162
% бериллия:       30    40    50    62
Плотность:         ,086 ,082 ,080 ,076
Текучесть (ksi):  23    30    33    40
Прочность (ksi): 34    40    50    55
Удлинение (: 17    15    13    7
Модуль (msi):    19    20    25    28

Компания заявляет, что эти сплавы поддаются сварке. Примечательна низкая прочтность у материалов, содержащих менее 50% бериллия. В конечном же счёте бериллий используется в качестве источников нейтронов для детонаторов атомных бомб. При бомбардировке альфа-излучением, бериллий испускает нейтроны. Благодаря бериллию в 1932 г. нейтрон и был открыт.

AERMET 100

AerMet 100 — перспективный материал, который недавно удивил велопромышленность. Этот новый железосодержащий сплав был запатентован в 1992 г. Реем Хемфиллом и Дейвом Вертом из Carpenter Technology Corporation, и сейчас есть несколько велопроизводителей, которые уже развлекаются с этим сплавом.

Зацените удивительный параметры AerMet 100. Плотность 0,285 фунтов на кубический дюйм, почти такая же, как у хромоли. Если посмотреть на состав, то обнаружится большая доля никеля и кобальта, плотность кот