Информация о материале титан

Велосипеды на титановый рамах

Информация о материале титан

Сообщение VELOBIG » 11 фев 2014, 17:25



Краткая история
  Титан был открыт в 1790г. Вильямом Грегором, священником и геологом-любителем, в Корнуэлле в Англии. Тем не менее он не очищался до 1910г., не облагораживался, не производился в коммерческих количествах до начала 50-х годов. С того времени производство титана возрастало примерно на 8% в год и с начала 60-х его начали использовать не только в военной промышленности, но и в коммерческих целях. Хотя чистый титан ценился за сочетание высокой прочности, легкости и отличной долгосрочностью, для использования в аэрокосмической промышленности нужны были еще более прочные материалы. В 50-х годах высокопрочный сплав, названный 6-4 (6% алюминия, 4% ванадия, 90% титана) был разработан и сразу нашел применение в производстве машин и каркасов самолетов. Но низкая эластичность сплава 6-4 создавала трудности при производстве труб, поэтому был создан сплав 3-2.5( 3% алюминия, 2.5% ванадия, 94.5% титана) который мог обрабатываться на специальном оборудовании для производства труб. Сегодня фактически все трубы, используемые в производстве самолетов и в космической промышленности сделаны из сплава 3-2.5. Использование этого сорта титана распространилось в 70-х годах на спортивные товары, такие как клюшки для гольфа, а в 80-е года из него-стали делать инвалидные коляски, лыжные палки и теннисные ракетки.
  В 70-х годах чистый или средний титан был впервые испытан в производстве велосипедных рам. Они были легкими упругими, но они не были достаточно прочными, чтобы выдержать суровые условия эксплуатации на гонках. Но в 1986 году первые рамы, сделанные из сплава 3-2.5 были произведены фирмой "Merlin Metalwortes."

Цена титана
  Цена титана высока, но не потому, что это редкий металл. Фактически это четвертый по частоте встречаемости в земной коре металлический элемент после алюминия, железа, магния. Он очень распространен в форме двуокиси титана и широко используется как отбеливатель в производстве пигментов, бумаги и пищевых красителей.
  Высокая цена объясняется тремя основными факторами:
- Цена очистительных процедур. Титан не содержится в природе без примесей. Он должен быть очищен, что требует значительных затрат электрической энергии и человеческого труда.
- Цена инструментов. Чистый титан и титановые сплавы - очень крепкие материалы, для обработки которых требуется специальное оборудование и атмосфера, не содержащая кислорода, для тепловой обработки и отжига.
- Цена обработки. Титан легко затвердевает и, поэтому его нужно отжигать несколько раз в
процессе формирования труб.
  К сожалению, нельзя ожидать значительного снижения цены на титан в обозримом будущем. Сокращение производства в аэрокосмической и оборонной промышленности создало незначительный излишек титана, что на протяжении незначительного промежутка времени будет являться причиной понижения цены титана. Однако, если производство в этих отраслях продолжит сокращаться, то производство титана тоже сократится. Трудно надеяться на то, что использование титана в спортивной промышленности может изменить эту ситуацию. На строительство одного Боинга 747 требуется 95000 фунтов титана. При существующих сейчас объемах производства, этого количества хватит для обеспечения сырьем велосипедной промышленности на 8 лет.

Сорта и источники титана
  Титановые сплавы сильно отличаются по своим свойствам и использованию. Для использования в производстве велосипедов больше всего подходит сплав 3-2.5 благодаря его прочности, упругости и долговечности. К тому же, из сплава 3-2.5 хорошо делать трубы с маленьким диаметром. Фирма Merlin также использует сплав 6-4 или СР титан для производства некоторых деталей.
    СР - это чистейший титан, не сплавленный ни с какими другими элементами. Он добывается во многих местах в США, Европе, России, на Дальнем Востоке. Он относительно легко формируется в трубы и в настоящее время используется в производстве нескольких видов рам в Европе и Тайване. Хотя СР имеет много применений, которые объясняются главным образом его прекрасной устойчивостью к коррозии, его удельная прочность гораздо хуже, чем у сплав 3-2.5, и даже хуже, чем у многих современных сталей. В США существует четыре разновидности СР титана, которые отличаются содержанием кислорода. Предел текучести у этих разновидностей изменяется от 25 до 65 ksi (тысяча фунтов на квадратный дюйм). Разновидность 4 имеет наивысший предел текучести; разновидность 1 - самый низкий. Только разновидность 4 СР титана может использоваться в производстве велосипедных рам, и только для производства тех частей, которые подвергаются наименьшим нагрузкам.
3-2.5
  Титан 3-2.5 - сплав 3% алюминия, 2.5% ванадия и 94,5% титана. Самая прочная разновидность, называемая AMS 105, имеет минимальный предел текучести 105 ksi и минимальный предел прочности на растяжение - 125 ksi. В отторженном состоянии он имеет удлинение 15-30%, а минимальное удлинение в нагартованом состоянии - 10%. Он не очень хорошо реагирует на тепловую обработку. Увеличения его прочности можно добиться используя нагартовку. Соотношение сопротивления усталости к весу у этого сплава примерно вдвое больше, чем у хромо-молибденовой стали 4130, которая используется в производстве велосипедов.

Изображение
Соотношение в % сопротивления усталости к весу, нормализованные для разновидности AMS 105 титана 3-2.5

Титан 3-2.5 имеет прекрасную упругость, которая может быть проверена изменением диаметра и толщины стенок труб, что позволяет дизайнерам велосипедов оптимально отрегулировать езду. Эта свобода в выборе диаметров и толщины стенок является прямым результатом высокого усталостного сопротивления титана и не характерна ни для каких других металлов, ни сталь, ни алюминий не поддаются такой обработке. Как и большинство титановых сплавов, сплав 3-2.5 устойчив к коррозии и не нуждается в покраске.
    Сплав 6-4 (6% алюминия, 4% ванадия и 90% титана) очень широко использовался в аэрокосмической промышленности благодаря прекрасному соотношению прочности и веса. Сейчас он составляет примерно 50% всех используемых в США титановых сплавов. Однако, в качестве сырья для велосипедной промышленности сплав 6-4 имеет несколько серьезных недостатков. Пластичность сплава 6-4 примерно на 30% ниже, чем у сплава 3-2.5, что делает производство из него цельнотянутых труб очень сложным. Фактически не существует цельнотянутых труб из сплава 6-4 с размерами, подходящими для производства велосипедов. Все трубы с маленьким диаметром из сплава 6-4 делаются из прокаленных металлических листов, свернутых в рулоны и сваренных. Усталостное сопротивление таких труб не очень высокое. Площадь сварки страдает от кристаллографической структуры с пониженной усталостной долговечностью и структура в листах не может быть проконтролирована (регулироваться) как в цельнотянутых трубах. К тому же, модуль сдвига (жесткость при кручении) у сплава 6-4 существенно ниже, чем у сплава 3-2.5, что является серьезным препятствием для использования в производстве рам, так как рамы неоднократно подвергаются деформации кручения. Наконец, надо учитывать, что обработка сплава 6-4 дороже.

Русский титан. Российские производители, на первый взгляд, имеют большую массу высокопрочных титановых сплавов. Однако, это неправильное понимание ситуации, которое возникает из-за российской системы названия сортов. Согласно ей, получается, что в России 200 различных титановых сплавов. В действительности, многие российские сплавы похожи на американские, но называются по-другому или незначительно отличаются по составу. Например, российский эквивалент сплава 6-4 - сплав под названием VT-6. Свойства этих сплавов практически идентичны. А российский сплав VT-5 имеет похожие технические характеристики со сплавом 3-2.5.
  В 1993 году велосипедная компания Raleigh начала использовать трубы для рам, произведенные в Салде (сами рамы производились в Англии). Эти трубы сделаны из материала под названием ВТ01, чистого титана, приблизительно сходного с американским титаном 4-го сорта или с российским титаном VT1-1 (с текучестью 64 ksi). Предел текучести у этого материала примерно 70000 psi, что превышает предел текучести у американского титана сорта 1 на 40000 psi. Такое усиление труб достигнуто путем впуска кислорода. Допуск содержания кислорода в сорте 4 примерно в 2.6 раза больше, чем в сорте 1. Для повышения предела текучести в ВТ01 также осуществлялся впуск азота. Хотя предел текучести повышается при впуске кислорода, ковкость (эластичность) снижается примерно на 80%. Это означает, что удлинения (растяжения) падает с 27% до 6%, создавая гораздо более хрупкую структуру материала. Усталостная сопротивляемость также падает.

Сравнение труб из сплава 3-2.5
  В США тремя наиболее часто используемыми в велосипедной промышленности сортами титана 3-2.5 являются:
- сорт AMS 105, то же самое вещество соответствует наименованию 747. Этот материал отвечает всем требованиям стандарта AMS (Аэрокосмическая спецификация материалов) для гидравлических труб. Теоретически, покупка труб AMS 105 непосредственно у производителя дает неограниченный выбор диаметров и толщины стенок трубы. В действительности, существует много ограничений на минимальную партию заказа и только крупнейшие фирмы-производители могут позволить себе такую роскошь. Покупатели иногда добавляют или изменяют стандартные спецификации труб AMS. Трубы MTS325 фирмы Merlin отличаются от труб AMS тем, что имеют более строгие допущения для структуры поверхности. Трубы фирмы Merlin также превосходят трубы AMS по минимальной прочности на разрыв при растяжении и пределу текучести.
- "Спортивный сорт" 3-2.5. Трубы из титана 3-2.5 спортивного сорта дешевле, так как они подвергаются меньшему числу шагов обработки, что позволяет снизить цену. Однако, сокращение цены негативно сказывается на формовке труб и структуре поверхности, как изнутри, так и снаружи.
- "Обрезки (лом)" 3-2.5. Этот материал, который не отвечает спецификациям сортов титана для аэрокосмической и спортивной промышленности. Одна из проблем использования таких труб состоит в том, что на них нет инструкций по обращению и сертификатов качества, а это означает, что покупатель не сможет определить, есть ли в них какие-либо структурные аномалии.

Методы обработки труб из сплава 3-2.5
  Хотя стандарты AMS распространяются на все сертифицированные аэрокосмические трубы, существует пространство приемлемых характеристик, и обработка играет важную роль в качестве конечного продукта. В США всего три производителя труб из титана 3-2.5, и каждый из них использует свой метод производства. Эти различия в процессе обработки порождают большие различия в качестве титана 3-2.5. В США существует три основных способа обработки при производстве титановых труб:
  1. Кристаллозерновая ориентация титана, на которую иногда ссылаются как на его структуру, влияет на некоторые свойства материала и может быть проконтролирована при обработке. Ориентация кристалла измеряется проверкой его коэффициента сжатия при деформации (CSR), который является числовым показателем фисталлографической структуры, определяемым отношением поперечной деформации к радиальной деформации. Небольшое значение показателя, такое, как 0,3, означает тангенциальную кристаллозерновую структуру, а значения выше 1,8 указывают на радиальную структуру. CSR от 1,7 до 1,9 обеспечивает наилучшее усталостное сопротивление, сохраняя префасную пластичность при изгибании. Добавочное радиальное текстурирование может повысить CSR до 2 и выше, что даст дальнейшее увеличение пластичности при изгибании, но только за счет усталостной долговечности, сопротивление усталости очень сильно уменьшается, когда значение CSR превышает 2.

Изображение
Коэффициент сжатия при деформации против усталости для 3/8 и 1/2 дюймовых труб AMS 105 из титана 3-2.5. Отметьте сильное уменьшение усталостной долговечности, когда CSR превышает 2.

  Для достижения наилучших результатов уровень CSR должен быть проконтролирован и определен на заводе, когда сделана труба. Диаметр трубы и толщина ее стенки всегда уменьшаются одновременно в процессе обработки, но не всегда это происходит с одинаковой скоростью, и в этом состоит разница между уменьшением диаметра и уменьшением толщины стенки, которая и определяет направление зерновой структуры. Большее уменьшение толщины стенки создает радиальную структуру, а большее уменьшение диаметра - кольцевую структуру. На структуру титана можно в значительной степени повлиять нагартовкой после того, как труба прошла последний нагартовочный, понижающий напряжение цикл (CWSR) в прокатном стане. Например, принудительное редуцирование трубы (обжимка или утонение) после финального CWSR цикла понижает CSR. Такой процесс редуцирования применяется для сведения на конус основной трубы или опоры цепи, уменьшить предел прочности трубы.
  2. На окончательное качество как внутренней, так и внешней поверхности трубы можно повлиять при обработке. Титан более чувствителен к повреждениям поверхности, чем сталь. Поверхность без дефектов делает значительный вклад в увеличение усталостной долговечности трубы. Внутренний диаметр большинства титановых труб также играет важную роль в обеспечении усталостной долговечности трубы. Обычно стенка трубы настолько тонка, что оба - и внутренний, и внешний - диаметры подвергаются циклам сжатия и растяжения, сравнимым по силе. Растяжение, или вытягивание, вызывает появление микротрещин, что, в результате, может привести к поломке трубы или соединения. Если внутренняя поверхность трубы намного грубее внешней, распространение трещин может начаться внутри.
  3. Любой дефект поверхности или химический дефект влияет на трубу. Единственный путь избежать этого - тщательно контролировать качество обработки от начала и до конца процесса. Эти факторы, по отдельности или вместе, очень сильно влияют на срок эксплуатации цельнотянутой трубы из сплава 3-2.5, что в свою очередь влияет на качество конечного продукта.

Эластичность, упругость и усталость
  Титановые рамы более податливые, чем большинство стальных и алюминиевых рам. Это дало титану репутацию пластичного материала. Но так называемая пластичность любого материала измеряется его модулем упругости (модулем Юнга). И три наиболее употребляемых в производстве рам материала: сталь, алюминий и титан имеют похожее показатели отношения жесткости к весу. Это соотношение у стали всего на 10% выше, чем у титана. Эта сравнимость соотношений говорит о том, что титановая труба с таким же диаметром и весом, как стальная или алюминиевая будет иметь примерно такую же жесткость. Но при построении рам нельзя учитывать только модуль упругости. Еще одно свойство, которое должно быть учтено - усталостное сопротивление.
  Усталостное сопротивление может быть определено как уровень, на котором материал может выдержать большое число циклов напряжения. Титан имеет исключительно высокое усталостное сопротивление. Так как титан может выдержать высокий уровень напряжения без повреждений, производители велосипедов могут создавать более эластичные рамы меньше беспокоясь о том, что изгибание вызовет поломку. Материалы с низким усталостным сопротивлением не выдерживают многократных изгибаний. Алюминий имеет наихудшее усталостное сопротивление среди металлов, используемых в велосипедной промышленности, и алюминиевые рамы очень жесткие. Это объясняется не тем, что алюминий сам по себе жесткий материал, а тем, что при сгибании алюминиевых рам их срок службы значительно сокращается. Чтобы проиллюстрировать это, сравним две алюминиевые рамы: одну - очень эластичную, а другую - очень жесткую. Несмотря на то, что все остальные показатели: вес, геометрия рамы и т.д. одинаковы, эластичная рама сломается из-за усталости металла гораздо раньше, чем жесткая. Поломка любой рамы вызвана циклом нагрузок, которые она испытывает, у более гибкой рамы амплитуда напряжений в циклах больше, чем у более жесткой (чем больше прогиб, тем больше напряжение). Чем больше амплитуда напряжения, тем больше теоретическая усталостная долговечность трубы.
  Сталь имеет гораздо более высокое сопротивление усталости, чем алюминий, поэтому сгибание стальной рамы - не такая серьезная проблема, как в случае с алюминием. Но сталь в два раза плотнее титана, поэтому сложнее отрегулировать жесткость езды, не упираясь в проблему веса. С другой стороны, так как плотность титана составляет примерно половину плотности стали, его хорошо использовать для улучшения ездовых характеристик путем изменения диаметров труб и толщины стенок, при этом получая рамы, более легкие, чем их стальные эквиваленты. И если титановая рама была смоделирована так, чтобы иметь такую же жесткость и такой же вес, как у стальной рамы, то ее усталостная долговечность будет примерно в два раза больше. Это объяснение сильно упрощено и существует много других факторов, кроме выбора материала, которые могут повлиять на усталостную долговечность рамы. Диаметры труб, толщина стенок, утолщенные участки, обработка поверхности и обработка на конус, все это влияет на усталостную долговечность, также, как и геометрия рамы, качество сварки, выбор аксессуаров и стиль езды.
  Основным преимуществом, которое дает высокая усталостная удельная прочность титана, является возможность изменять геометрию труб в стремлении сделать раму более легкой и при этом сохранить жесткость стальной трубы, или сконструировать более упругую гибкую раму без сокращения усталостной долговечности. В конечном счете, из всего вышесказанного следует, что титан дает свободу в выборе геометрии труб, и титановые рамы могут быть жестче, чем стальные, если это нужно.

Неправильная эксплуатация и использование титана
  Удивительная легкость и прочность титана создали ему широкую рекламу и привели к необоснованному его использованию. Как это бывает с любым материалом, титан применяется как целесообразно, так и не целесообразно. Задача состоит в том, чтобы использовать титан только в тех областях, где он действительно нужен. Основные преимущества титанового сплава 3-2.5 таковы:
- прекрасное сопротивление усталости
- хорошая удельная прочность
- прекрасное удлинение(ковкость) - 15-30%
- устойчивость к коррозии
  Высокое усталостное сопротивление титана дает производителю широкие возможности в выборе того, каким сделать велосипед. Рама может быть сделана относительно упругой или очень жесткой, в зависимости от ее предполагаемого применения. Достигается это простым изменением толщины и конфигурации труб. К сожалению, в производстве велосипедов существует много ограничений для дизайнеров из-за того, что аксессуары стандартизированы. Большинство геометрий, используемых в производстве велосипедных труб, было создано с учетом лучших свойств сталей, который использовались около сорока лет назад. Сегодня любые отклонения от этих стандартов требуют огромного количества энергии и ресурсов для того, чтобы убедить производителей аксессуаров в необходимости изменений, а розничных торговцев, что имеет смысл внести в список товаров новую нестандартную продукцию. Однако, в настоящее время не существует разновидностей рам, которые нельзя было бы сделать из титана, дающего дизайнеру свободу в изменении геометрии труб. В области байков, где свобода дизайна ограничена, преимущество титана не всегда так велико.
  Вилки - хороший пример области, где ограничения в геометрии делают более приемлемым использование стали. Предположим, что дизайнеру нужен 1-дюймовый steerer и задача состоит в создании титанового steerer такого же жесткого, как и стальной. Титановый steerer в этом случае будет весить на 60% больше чем стальной. Увеличение размеров steerer и headset не всегда дают нужный результат. С 1.25- дюймовым headset титановый steerer примерно на 25% легче стальной такой же жесткости. Тем не менее, 1.25-дюймовый headset тяжелее чем 1-дюймовый и при этом требуется большая головная труба, которая имеет больший вес. Таким образом, использование титана в этом случае не дает преимуществ. Эти трудности возникают потому, что коэффициент жесткости у титана примерно вполовину меньше чем у стали. Объясним случай со steerer по-другому: увеличение вдвое толщины стенки данной трубы почти удваивает ее жесткость на изгиб. Таким образом, соотношение почти линейное. А увеличение вдвое диаметра этой трубы - без каких-либо изменений толщины стенки -повышает прочность на изгиб примерно на 800%. Таким образом, самым эффективным способом повышения жесткости любого металла является увеличение диаметра, а не утолщение стенки. Конечно, существуют ограничения на увеличение диаметра трубы при сохранении определенной толщины стенки; если отношение диаметра к толщине стенки будет очень большим, труба сплющится(сломается), как это бывает с алюминием. Когда дизайнеры сталкиваются с ограничениями диаметров и толщины стенок, они часто обращаются к местному ужесточению труб. Раскатка, обработка на конус, придание трубе овальности - это общие методы, но, как будет видно из следующего раздела, каждый из них имеет свои ограничения и проблемы.

Изображение

Придание овальности и обработка на конус
  Придание трубе овальности.
  Хотя придание трубе овальности часто рекламируется как основной метод увеличения жесткости, на самом деле он более полезен для увеличения упругости. Придание овальности действительно увеличивает изгибную жесткость, но в то же время оно понижает жесткость при кручении. Так как большинство труб подвергаются и изгибанию, и кручению, придание овальности не самый лучший метод. К тому же, трубы испытывают изгибное напряжение по всей длине. Придание овальности на очень коротком участке - например, придание овальности подсидельной трубе в районе каретки дает увеличение изгибной жесткости, но делает трубу и более упругой. И, конечно, теряется жесткость при кручении.
  Обработка на конус.
  Обработка на конус была впервые применена в производстве стальных велосипедов на рубеже двадцатого века для того, чтобы смягчить езду по плохим дорогам. В то время почти все велосипеды были сделаны из труб с толстыми стенками, потому что аккуратно покрашенные тонкостенные трубы стоили очень дорого. Обработка на конус была недорогим методом увеличения эластичности рамы, так как рама становилась более упругой. По традиции, этот метод продолжает использоваться и в современном производстве велосипедов, но обработка на конус незначительно улучшает качества езды любой высококачественной рамы, будь то стальная или титановая рама. Возможно, самый простой способ показать, почему обработка на конус в основном не очень полезна - представить себе стандартную стальную раму, которая имеет достаточно жесткости, чтобы обеспечить хорошие ездовые качества. Единственным способ сделать такую раму более легкой без изменения качества езды (на данный момент усталость не берется в расчет) является изменение диаметров труб и толщины стенок по всей длине каждой трубы; иначе жесткость при кручении и изгибная жесткость изменятся, портя езду. Может показаться, что обработка на конус дает большую общую жесткость, но на самом деле все зависит от того, какой конец трубы вы рассматриваете. С маленького конца кажется, что вы увеличили жесткость, а с большого - что вы создали более упругую трубу. Конечно, нижняя труба, которая больше у каретки, будет жестче в этом месте, чем труба, не обработанная на конус. Но она также должна быть толще, а значит и тяжелее, для сохранения соотношения диаметра и толщины стенки трубы, иначе труба сплющится.
  Таким образом, наиболее эффективным способом (с точки зрения веса) ограничить упругость (трансформируемость) трубы - сделать трубу с постоянным диаметром и толщиной стенки. Скажем, вы хотите увеличить жесткость 24-дюймовой нижней трубы на 50%. Одним решением этой задачи может стать обработка половины трубы на конус до тех пор, пока ее жесткость не увеличиться на 50% (если рассматривать больший конец). Этот метод также увеличит вес трубы где-то на 25%. Другой подход заключается в увеличении диаметра всей трубы, что увеличит вес на 20%. В конечном итоге, обе трубы будут одинаково отвечать поставленным требованиям, но необработанная на конус труба будет легче. Когда важна упругость трубы, самым лучшим будет начать с трубы с меньшим диаметром и более тонкой стенкой. Это даст ту же трансформируемость по длине при этом сохраняя вес.
  Применение обработки на конус при работе с титаном создает проблемы с ориентацией зерен в металле. Обработка на конус заставляет молекулы выстраиваться ряды вдоль продольной оси трубы вместо того, чтобы сохранять их оптимальную радиальную структуру. Это снижает усталостную долговечность. Однако, существует несколько областей, где применение обработки на конус очень полезно. Его применение особенно выгодно в производстве подсидельной трубы. Основная функция подсидельной трубы в жесткой (негибкой) раме - обеспечить место, где можно поставить тормоза. Труба, которая является очень жесткой при кручении и на изгиб, полезна на опоре тормозов, но остаток трубы не играет большой роли в функционировании велосипеда. Обработанная на конус подсидельная труба немного снижает вес, не нанося вреда техническим характеристикам. Однако, любые снижения веса должны быть тщательно сбалансированы, чтобы не повлечь за собой потери усталостной долговечности. Эволюция подвесных рам может повлечь более широкое применение труб, обработанных на конус. Наконец, одним из недостатков ровной трубы по сравнению с большим концом обработанной на конус трубы является то, что при равной жесткости на кручение ровная труба будет испытывать более сильные нагрузки в соединении. Эта ситуация может быть разрешена при помощи метода утолщения концов.

Двойное утолщение концов
  Механические свойства в сваренных или спаянных твердым припоем соединениях любой стальной или титановой рамы всегда хуже, чем на участках, которые не подвергались тепловой обработке. Потеря прочности в таких соединениях - важное обстоятельство, с которым нужно считаться, так как самые большие нагрузки на раму приходятся именно на соединения, и большинство поломок рам происходит в местах соединений. К счастью, титан сохраняет больший процент предела текучести после сварки, чем сталь. То есть потеря прочности не очень велика.

Изображение
Напряжение в ровной раме, измеренное на закрепленном конце, выше, чем в трубе с утолщенными концами, и поломка происходит при меньшем числе циклов нагрузки (1,25x0,026x24 дюймовая труба из титана 3-2.5 (слева), такая же труба с 0,03 дюймовым утолщением концов (справа)

  Тем не менее, желательно минимизировать нагрузку, приходящуюся на соединения, насколько это возможно. Утолщение концов трубы (концы становятся толще, а середина - тоньше) - эффективный способ упрочнения подверженных тепловой обработке участков в соединениях без ощутимого увеличения веса рамы. С другой стороны, применение подходящих технологий утолщения концов к тонкостенной необработанной на конус трубе позволяет значительно снизить вес, не принося в жертву усталостную долговечность. Это не говорит о том, что утолщение концов всегда необходимо. Так как при заданной нагрузке более жесткая труба испытывает меньшее напряжение, и из-за этого повышается местная усталостная долговечность, в раме есть участки, на которых труба может обеспечивать желаемые характеристики и к тому же иметь более чем достаточную жесткость при изгибе в соединениях. Например, требования к характеристикам у дорожных и горных велосипедов сильно отличаются. Рама для горного велосипеда, выполненная с использованием утолщенной на концах дорожной трубы, будет иметь приемлемую усталостную долговечность, но она будет не достаточно жестка при изгибе и кручении. Ужесточение такой рамы любым оптимальным способом также повысит и ее способность противостоять нагрузкам при изгибе, что, в свою очередь, увеличит ее усталостную долговечность. В этом случае нужда в утолщении концов сильно уменьшается.
  Тем не менее, когда труба разрабатывается для определенного применения, обычно существует больше чем одна цель, и цели, как правило, конфликтуют: вес против жесткости, вес против прочности, жесткость против упругости и так далее. В таких случаях применение утолщения концов будет прекрасным решением.

Инженерные принципы утолщения концов
  Утолщение концов - процесс, при котором изменяется толщина стенок для обеспечения местного усиления. Этот метод был впервые применен к стальным трубам в 1890-ых и был запатентован Альфредом Рейнольдсом и Хевитом в 1897 году. При правильном применении утолщение концов может значительно увеличить усталостную долговечность и, как следствие, продлить срок эксплуатации трубы. Усталостная долговечность повышается, так как более толстая труба на утолщенном участке прочнее. Утолщение концов может снизить также вес, так как не утолщенные участки трубы легче, чем утолщенные. И еще этот метод может улучшить ездовые качества, если более тонкий центральный участок трубы как-нибудь изогнуть. Утолщение концов всегда делает трубу жестче частично (на концах), и только частично. Вопреки распространенному мнению, любое местное ужесточение, достигнутое при помощи утолщения концов, не имеет большого влияния на жесткость всей трубы. Это означает, что рамы из труб, обработанных этим методом, не являются автоматически жестче, чем рамы из обычных труб. Труба может быть утолщена с одного конца (одностороннее утолщение), с двух сторон (двухстороннее утолщение) или может иметь несколько утолщений стенки для решения специфический задач. В основном, настоящие трубы с утолщенными концами должны быть цельнотянутыми и нагартованными. Другие наружные или внутренние методы усиления (угловое соединение (наугольник), втулка) иногда представляются как утолщения, но это не правильное употребление термина. В данной статье термин "утолщение концов" будет относиться только к цельнотянутым исходным трубам без наугольников, втулок или других вспомогательных усилений.

Внутреннее и внешнее утолщение
  Трубы могут быть утолщены изнутри (традиционный метод, который был запатентован Рейнольдсом и Хевитом) или снаружи (недавняя разработка). Внутреннее утолщение концов полезно в утолщенных конструкциях, где усиливающее утолщение проходит по наружной части трубы. Утолщение концов изнутри также лучше смотрится, так как изменение толщины стенки не заметно для глаз. И формировочные оправки для внутреннего утолщения дешевле, чем роликовые головки для внешнего.

Изображение
Даны трубы с равным весом, труба с внутренним утолщением испытывает более высокое напряжение (слева)
Даны две трубы с одинаковой жесткостью, труба с внутренним утолщением будет весить больше (справа)

  Тем не менее, внешнее утолщение концов дает неоспоримые преимущества и является лучшим методом усиления. Если две трубы с одинаковой изгибной жесткостью и усталостной долговечностью обработаны методом утолщения концов, одна - внутренним, другая - внешним, труба с утолщенными снаружи концами будет легче. Если две такие же трубы немного изменены, чтобы одинаково весить, то труба с внешними утолщениями будет прочнее и будет показывать меньшее напряжение в соединениях. Для того, чтобы убедиться в этом, нужно учитывать все факторы, влияющие на сопротивление усталости, жесткость и вес. Самый эффективный способ повысить усталостное сопротивление трубчатого соединения - это сделать его прочнее. Более прочная труба справляется с нагрузкой лучше и более устойчива к поломкам, вызванным усталостью. Прочность может быть увеличена утолщение трубы и, в действительности, внутреннее утолщение концов подходит именно в этом случае. Однако, это не идеальный способ, так как утолщение трубы не сильно увеличивает прочность и жесткость. Например, когда толщина стенки трубы удвоена, уровень напряжения в трубе при заданной нагрузке уменьшается примерно наполовину. Наиболее эффективный способ упрочнения без значительного увеличения веса - это увеличение диаметра трубы, что значительно улучшает картину в отношении примерно 1.6:1 (прочность к весу).

Изображение
При утолщении трубы уменьшается нагрузка, но не сильно (слева). При увеличении диаметра трубы нагрузка сильно уменьшается (справа)

Если все параметры были равными, может показаться, что лучшим способом утолщения трубы будет простое расширение ее концов. Хотя этот метод подходит только для труб, которые не очень хорошо смоделированы, так как хорошо в хорошо сконструированных трубах диаметр максимально приближен к своему пределу для достижения минимального веса и максимальной усталостной долговечностью. И если дальше увеличивать диаметр без соответствующего увеличения толщины стенки, то труба превысит свой предел изгибания и сплющиться при больших нагрузках. Таким образом, наилучшее решение - это одновременно увеличить толщину стенки и диаметр трубы в оптимальной пропорции или, другими словами, провести внешнее утолщение трубы. Внешнее утолщение обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе. Внешнее утолщение также обеспечивает наилучшую гибкость при выборе оптимальной разницы в толщине стенки между утолщенными и неутоленными участками. Для того, чтобы разобраться, почему это так, необходимо понять, что внутреннее утолщение достигается не добавлением материала на концах трубы, а переносом его с центральной части трубы, чтобы сделать ее тоньше в этом месте. Когда процесс закончен, внутренний сердечник (оправка) должен быть удален через более толстые концы трубы. Обычно, при внутреннем утолщении разница в диаметрах утолщенного и неутолщенного участков должна составлять не более 40% для того, чтобы сердечник (оправка) мог быть удален.
При внешнем утолщении не существует таких ограничений на разницу в диаметрах. Таким образом, только внешнее утолщение позволяет любые возможные изменения диаметра труб и толщины стенки и дает оптимальную удельную прочность.

Обсуждение процесса утолщения концов при работе с титаном
  Обсуждение процесса утолщения концов при работе с титаном. За исключением ртути, ни один метал не любит, когда на него слишком сильно нажимают. Титан же особенно чувствителен к манипуляциям. Фактически, его свойства радикально изменяются при нагартовке. Это и хорошо, и плохо. Это хорошо, так как увеличение прочности может быть достигнуто простой нагартовкой. Это плохо, так как нагартовка после конечного отжига и ослабления напряжения изменяет свойства трубы, обычно к худшему. Это происходит из-за кристаллографической структуры титана (СТ), которая определяется в процессе производства трубы. Показатель фисталлографической структуры называется коэффициентом деформации при сжатии (CSR), который сравнивает диаметральную и радиальную деформации труб. CSR и СТ труб оптимизируются контролем скорости уменьшения размера. Во время производственной обработки, обжимной штамп идет по внешней поверхности трубы, в то время, как внутренняя часть трубы поддерживается сердечником. Титан сжат между обжимным штампом и сердечником. Когда имеет место деформация, молекулы титана вращаются и повторно выравниваются (рихтуются).



  Для труб MTS325 фирмы Merlin процесс начинается с обработки титановых заготовок с диаметром около 2.375 дюймов и толщиной стенки примерно 0.8 дюйма, которые очень далеки от тонкостенных труб с маленьким диаметром, которые используются при производстве рам. Для того, чтобы добраться до конечного результата, нужно сделать много шагов по уменьшению. За каждым шагом следует проход через печь для отжига, чтобы устранить чрезмерную жесткость и потерю пластичности, которые возникают из-за нагартовки. Контроль CSR может быть выполнен путем осадки диаметра или проглаживания стенки. Проглаживание стенки используется, когда уменьшение толщины стенки пропорционально больше, чем уменьшение диаметра. Осадка диаметра применяется, когда уменьшение диаметра пропорционально больше, чем уменьшение толщины стенки. Проглаживание повышает CSR, а осадка - понижает. Нагартовка - хороший метод улучшить характеристики при изгибании и сопротивление усталости. Но злоупотребление нагартовкой при неправильной скорости может испортить эти свойства, значительно ослабляя и делая трубы хрупкими. Допустимые значения CSR лежат в промежутке от 1.6 до 1.9. Невыполнение этого условия влечет поломку рамы из-за низкой усталостной сопротивляемости.

Изображение

  Единственный способ добиться нужного значения CSR по всей длине трубы - это создать постоянную толщину стенки и постоянный диаметр. Невозможно изменить размеры труб без воздействия на молекулярную структуру и CSR. Как проглаживание стенки, так и осадка диаметра портят идеальный показатель CSR исходного материала и таким образом сокращают срок службы трубы. При снижении усталостного сопротивления более чем на 10% эффект может быть драматическим.
  Трубы с внутренним утолщением концов создаются в прокатном стане путем проглаживания или утонения стенки. Обработанные на конус трубы получают осадкой диаметра. Хотя труба может иметь идеальные характеристики до обработки, проглаженный или осевший участок трубы с внутренним утолщением или обработанной на конус трубы будет обладать гораздо худшими характеристиками. Утолщенные трубы MTS325 фирмы Merlin получаются в результате запатентованного процесса, который не изменяет идеального показателя CSR. Так как CSR остается постоянным, не происходит потери сопротивления усталости и ковкости. А как насчет требования, что CSR должен быть разным в разных частях рамы? Опоры (стойки) цепи, которые должны быть изогнуты, будут использовать трубы с иным CSR, или радиальной структурой, чем, скажем, нижняя труба, которой не нужно изгибание. Хотя этот аргумент может звучать правдоподобно, дальнейшая проверка выявляет следующую проблему: CSR, при котором достигается наивысшее усталостное сопротивление, дает и прекрасную ковкость. Высокая ковкость обеспечивает хорошие характеристики при кручении. Таким образом, не смотря на то, что иногда говорят о лучшем изгибании в трубах с более высоким CSR, в действительности ковкость ухудшается при повышении CSR.

Изображение

Откуда же тогда берется аргумент в пользу использования материала с показателем CSR от 1.6 до 1.9? Большинство велосипедов делается из труб, полученных более, чем одной обработкой на прокатном стане, и этот такой CSR - не поддающейся оценке побочный продукт этого многократного процесса. Чтобы извлечь выгоду из такой ситуации, некоторые производители преподносят этот случайный показатель CSR как достоинство. В действительности, однако, нет никаких преимуществ в использовании труб с CSR, выходящим за рамки оптимального промежутка. Скорость производства труб, а через нее и цена, также играет роль. Цена труб может быть понижена при повышении скорости их обработки. К сожалению, при более быстром прохождении трубы через прокатный стан возникает больший показатель CSR и более радиальная структура. Чтобы сохранить низкие цены, некоторые трубы для спортивных велосипедов производятся именно таким способом, и большая радиальная структура, которая образуется в этом случае, иногда преподносятся как достоинство. Тем не менее, более медленная обработка и более низкий CSR создают более прочную, более долговечную раму.

Сравнение характеристик утолщения концов
  Существует три основных вида утолщенных титановых труб. Два из них имеют внутреннее утолщение, а один - трубы MTS325 фирмы Merlin - внешнее. Чтобы различать методы внутреннего утолщения концов, мы назвали их 5l и 3l.
    Трубы типа 5l
  Эти трубы с внутренним утолщением делаются из высокопрочных заготовок (125 ksi). Утолщение достигается при проглаживании стенки. Как было сказано выше, этот процесс нарушает кристаллическую молекулярную структуру титана. Из-за этого только толстые, не проглаженные концы трубы сохраняют свойства заготовки. Трубы также подвергаются сжатию и на них могут появиться зазубрины при таком методе обработки. Зазубрины на поверхности создают узлы нагрузки в трубе, приводя к преждевременной поломке. К сожалению, покупатель не имеет возможности проверить, качество внутренне утолщенной трубы, не разрушив ее. Зазубрины, выбоины и царапины на тонкой центральной части трубы не приносят такого вреда, как на переходной зоне, между тонким центром и утолщенными концами. Этот участок испытывает наибольшее напряжение и наиболее чувствительным к дефектам поверхности. Повреждения на этом участке почти однозначно приведут к поломке трубы.
    Трубы типа 3l
  Другие трубы с внутренним утолщением концов делаются из низкопрочных заготовок. Утолщение также производится путем проглаживания стенки. Более тонкий участок трубы имеет немного лучшие характеристики, чем у труб типа 5l, но утолщенные концы отличаются очень низкой прочностью.
Трубы типа 3l дешевле труб 5l, потому что обрабатывать низкопрочные заготовки легче. Помимо цены они не дают никаких реальных преимуществ. Как и трубы предыдущего типа, эти трубы подвержены поломкам из-за повреждений поверхности, которые появляются при использовании поддерживающего сердечника.
    Трубы MTS325 фирмы Merlin
  Это трубы с внешне утолщенными концами без механических изменений характеристик материала или CSR. Во время и после процесса утолщения не появляется никаких повреждений поверхности или узлов напряжения. Поэтому полностью сохраняется сопротивление усталости и CSR.

Обработка на конус против внешнего утолщения концов
  Как замечено раньше в раздел " Придание трубам овальности и обработка на конус", обработка на конус - это метод, позаимствованный из традиционного дизайна рам, где он применялся для обеспечения более мягкой езды по плохим дорогам в начале века. Его ценность ограничена при современном конструировании труб. Титановая труба может быть обработана на конус осадкой диаметра: труба пропускаются через (обжимной станок) до тех пор, пока не получатся нужные размеры. Также конусообразная труба может быть получена сворачиванием и сваркой титанового листа. Оба метода обработки имеют недостатки. Процесс обработки на конус сильно влияет на молекулярную структуру металла, изменяя CSR, усталостную долговечность и пластичность трубы. Осадка диаметра уменьшает CSR и снижает усталостное сопротивление. Негативное влияние осадки диаметра на усталостную долговечность очень сильно. Обработка на конус может применяться там, где присутствуют строгие ограничения габаритов из-за дизайна аксессуаров или особенностей геометрии. Однако, нужно сделать все возможное, чтобы заменить обработанные на конус трубы на другие. Используя обработанные на конус трубы, нужно иметь в виду их более короткий срок службы.

Сварка
  Прочность материала всегда ниже в сварных соединениях, независимо от того, какой материал используется - титан, сталь или алюминий. Снижение максимального предела прочности на разрыв (UTS) для титана 3-2.5 в местах, подверженных тепловой обработке (HAZ) составляет примерно 12-15%. Заметьте, что у высококачественных стальных труб снижение составляет 40-50%.У алюминия тоже значительно снижается этот показатель, но во многих сплавах прочность может быть возвращена применением термической обработки или дисперсионным твердением.

Изображение
Прочность материалов после сварки

  Качество сварки титана зависит от многих факторов:
 1. Чистота поверхности имеет наибольшее влияние на качество сварки. Поверхность должна
быть очищена от жира, хлоридов, всех загрязнений. Место, где происходит сварка, не должно
содержать кислорода, азота и водорода в процессе сварки. Даже жирный след, оставленный
пальцем, может загрязнить площадь сварки. Поэтому, строгие стандарты чистоты должны
соблюдаться на всем протяжении работы.
 2. Полное проникновение наплавочного материала играет решающее значение. Только
опытный сварщик, использующий хорошее оборудование, при хорошо спроектированном
соединении может гарантировать, что основной материал как следует расплавлен
наплавочным материалом.
 3. Тип наплавленного валика сварного шва играет важную роль в проникновении и в конечной
прочности сварного шва. Гладкий наплавленный валик рассеивает тепло, делая достижение
полного проникновения трудным. Пудлинговые сварные швы (сварочные ванны) нагревают
меньшую площадь, фокусируя наплавленный валик и улучшая проникновение. Чрезмерно
толстый или неровный наплавленный валик создаст грубый переход в относительной
жесткости между валиком и трубой. Так как наплавленный валик действует как увеличитель напряжения в любом случае, лучше попытаться минимизировать резкость переходного участка.
 4. Скорость послесварочного охлаждения теоретически влияет на качество сварки, но нет
оснований считать, что скорость охлаждения играет важную роль в послесварочном
усталостном сопротивлении.

Сварка против пайки
  Потеря прочности при сварке ставит вопрос о замене наплавленного валика сварного шва на утолщенный (подвесной, стык с приваренным стыковым соединением). Основным недостатком применения этого метода является увеличение веса. Например, титановые кронштейны (опоры, проушины, утолщения), используемые в специальных титановых горных рамах/рамах из углеродного волокна, сконструированы так, чтобы иметь минимальный вес, вес 1.5 фунта на комплект. Если рамы были сделаны из сваренных экстралегких труб фирмы Merlin, утолщенных с обоих концов, вес утолщенных участков будет составлять незначительную часть от веса комплекта титановых кронштейнов (опор, проушин, утолщений). Это соотношение справедливо для композиционных материалов с металлической матрицей, алюминия, стали или углеродного волокна.

Изображение

Анодирование
  Существует много типов и целей применения анодирования, но в производстве титановых велосипедов оно, главным образом, применяется для внешней отделки. Процесс создает анод из титана в химической растворе и постепенно строит оксидную пленку в процессе электролиза. Изменением напряжения (разности потенциалов) создаются толщина и цвет пленки. Конечный результат - плотная и плотно прилегающая титановая оксидная пленка.
  Существует три разновидности пленки, определяемые разными уровнями напряжения (разности потенциалов) и электрической дисперсии. Титановые оксиды (пленки) главным образом состоят из кристаллов анатаза и/или рутила; анатаз и рутил - основные руды, из которых получают чистый титан. К сожалению, оксид титана очень хрупкий (не зависимо от цвета), и очень трудно отделить оксидную пленку от титанового основания, из-за растворения титана в оксиде. Нормальные изгибные нагрузки в раме вызовут появление полос скольжения в хрупкой цветной поверхности и могут возникнуть трещины в анодированной оболочке. Поврежденная оксидная пленка передает трещины через границу соединения титана с оксидом на титан под оксидной пленкой. Появившись на стенке трубы, трещина распространяется дальше и вызывает поломку трубы. Таким образом, видно, что анодированная титановая основа ведет себя почти также, как и загрязненная попаданием кислорода площадь сварки. Самый удаленные от центра титановые волокна, которые испытывают наибольшее напряжение и , поэтому, нуждаются в самой высокой ковкости, становятся наиболее хрупкими. Предрасположенность к разрушению при нагрузке значительно возрастает. По этим причинам фирма Merlin советует избегать анодирования любых важных титановых частей. Гарантийные сроки службы титановых рам фирмы Merlin недействительны, если рама была анодирована.

Титан 3-2.5 против других материалов
    Сталь
  Хотя максимальный предел прочности на разрыв у многих сталей больше чем у титана 3-2.5, этот показатель прочности не имеет особого значения в законченной велосипедной раме, так как:
 1. Преимущество в прочности теряется при сварке.
 2. Удельная прочность стали ниже, чем у титана как до, так и после сварки.
  При сравнении материалов прочность после сварки, или прочность подверженного тепловой обработке участка, должна учитываться в первую очередь, так как самое большое напряжение в раме испытывают сварные соединения или участки, подвергнутые тепловой обработке. Например, стальные трубы SL фирмы Columbus имеют полученный при нагартовке максимальный предел прочности на разрыв примерно 135 ksi, это примерно как у титана 3-2.5 фирмы Merlin. Игнорируя в данный момент то, что удельная прочность у Merlin вдвое больше чем у Columbus SL, обнаруживаем, что предел текучести у SL падает примерно до 70-78 ksi после сварки. Титан 3-2.5 имеет после сварочную текучесть 97-100 ksi. К тому же, для фиксированного веса титан 3-2.5 имеет почти вдвое большее послесварочное усталостное сопротивление, чем хромо-молибденовая сталь 4130. Внешние и внутренние усиления, такие как утолщение концов и т.д., могут немного улучшить сопротивление усталости стали. Внутреннее утолщение концов переносит самые слабые точки за пределы самых высоких нагрузок. В некоторых случаях, однако, невозможно создать утолщения оптимальной толщины на имеющемся оборудовании. Максимальная допустимая разница в толщине утолщенного и неутолщенного отрезков у лучших стальных труб составляет около 40%, для достижения дальнейшего улучшения свойств материала приходится использовать другие методы.
  Труба с оптимально утолщенными концами будет лучше, чем труба, усиленная наугольником или как-то еще, так как:
 1. Наугольник не уменьшает участок, подверженный тепловой обработке (HAZ) по сторонам и на конце усиления. Идеально обработанная утолщением концов труба обеспечивает равную прочность и равный, или более низкий, вес без HAZ.
 2. Наугольник создают повышение напряжения в своих концевых точках, что влечет за собой уменьшения усталостной долговечности, благодаря HAZ. Идеальное утолщение концов с правильно смоделированным сужением устраняет повышение напряжения и сохраняет вес.
  Независимо от того, применяются ли наугольники или утолщение концов, существует большая разница между удельной прочностью стали 4130 и титана 3-2.5. Заявление о том, что можно создать стальную раму с такой же прочностью и таким же весом, как у титановой, ничем не подтверждены, и таких рам, на самом деле, не существует.
    Алюминий
  В отличии от титана, сопротивление усталости у алюминия непрерывно снижается с увеличением количества циклов нагрузки. Поэтому, алюминиевые конструкции должны содержать дополнительные средства укрепления рамы, что неизбежно повышает ее вес и объем. Алюминий хорош для производства частей, которые испытывают мало циклов усталости.

Композиционные материалы с металлической матрицей (КММ)
  Существует много КММ, но только один - particulate-тип может использоваться в производстве рам. Это Duralcan, оксид алюминия. Используются в велосипедной промышленности и еще два материала: карбид кремния и карбид бора, оба на основе алюминия. У КММ металл-основа изменяется от алюминия к титану и меди, а также изменяется основной состав примесей. Вид примесей также меняется от частиц, нитевидных кристаллов и прожилок до непрерывных и не непрерывных волокон. Каждый фактор играет свою роль в прочности и технических характеристиках КММ. Всем КММ со структурой из частиц и нитевидных кристаллов присуща потеря ковкости и сопротивления развитию трещин, что негативно влияет на усталостную долговечность. 15% КММ алюминий 6061-Т6 имеет следующие преимущества перед чистым алюминием:
- На 30% повышен коэффициент растяжения, до 12,7 ksi. Более высокий коэффициент помогает возместить низкую усталостную долговечность материала, так как более жесткая рама имеет более низкий цикл напряжения.
- Текучесть увеличена на 15%, от 40 до 64 ksi.
Недостатки КММ Duralcan:
- Удлинение уменьшено на 5,4%, что снижает усталостную долговечность. (теоретически, если рама была сконструирована не для изгибания, удлинение не будет влиять на усталостную долговечность, так как соединения не будут двигаться. На практике, однако, это не совсем так.) Удлинение падает еще на 50% у всех остальных КММ. Чем меньше удлинение, тем ниже ковкость. Алюминий 6061- Т6 имеет удлинение 14-17% после сварки и тепловой обработки. Высококачественная сталь для велосипедов имеет удлинение 10% до сварки и 20-25% после. Удлинение титана составляет 10-19% до и 15-39% после сварки.

Изображение
Сравнение усталости КММ Duracan 6061-T6 со стандартным алюминием 6061-Т6

  Кривые усталости на графике "нагрузка - количество циклов " (S-N) почти сходятся при количестве циклов, равном 10-7 у простого алюминия 6061-Т6 (16 ksi) и Duralcan КММ (17 ksi). Поэтому, усталостная удельная прочность у КММ почти идентична усталостной прочности стандартного алюминия. Заметьте, что это сопротивление усталости гипотетическое, потому что, как монолитный алюминий, КММ не имеют действительной усталостной долговечности, рамы из этих материалов должны быть сконструированы с гораздо большим числом факторов безопасности.
  Усталостное сопротивление - наиболее важный фактор, с которым надо считаться при конструировании рам, неважно, о каком материале идет речь. Большинство поломок рам по причине усталости происходит не из-за однократной перегрузки, как это бывает, при ударе или аварии. Максимальная прочность не имеет первостепенного значения, так как максимальный показатель предела прочности на разрыв не может обеспечить продолжительного срока службы рамы. Наиболее очевидное достоинство любого КММ - потенциал для создания более жесткого материала. Это, однако, не всегда желательно при производстве велосипедных рам. Качество езды - это фактор, с которым надо считаться, даже если при этом до разумных пределов снизятся усталостные характеристики.
  Сварка также создает сложности. Большинство КММ теряют прочность после сварки, и некоторые из этих потерь невозможно восполнить тепловой обработкой. На участке, наиболее близком к сварному шву (также, как и в самом сварном шве), частицы рассеиваются, что может вызвать аномалии и проблемы с прочностью. Тепловая обработка не может вернуть эти частицы на места, где они находились до сварки, так как металл не переходит в жидкое состояние при тепловой обработке.
  Наконец, нужно отметить, что скрепленная (связанная) КММ рама никогда не будет весить столько, сколько весит сваренная КММ рама. Таким образом, вдвойне обидно, что многие КММ теряют многие механические свойства после сварки.

Титановые КММ
  В современной промышленности существует совсем немного КММ на титановой основе и только с двумя базовыми типами материалов. Один - композиционный материал с межметаллический матрицей - использует непрерывные волокна. Другой формируется из частиц карбида титана. Оба эти материала были разработаны главным образом для применения при высоких температурах.
  Композиционный материал с межметаллической матрицей формируется из титаново-алюминиевой фольги, соединенной покрытыми бором непрерывными волокнами из карбида кремния. При начальной цене $2000-3000 за фунт, непохоже, что этот материал скоро найдет применение в велосипедной промышленности. Интересно, что цена необработанных титановых болванок всего $10-12 за фунт. Очевидно, что цена производства композиционных материалов с межметаллической решеткой огромна.
  КММ из титанового карбида стоят примерно также. Они также страдают от потери ковкости, что является результатом впуска углерода в титан.
  Титано-алюминиды - новая группа сплавов для аэрокосмической промышленности. Строго говоря, это не КММ, но они демонстрируют высокую прочность и устойчивость к потере механических свойств при высокой температуре. Однако, они имеют очень низкую ковкость при комнатной температуре и огромную цену. Проблема ковкости, возможно, скоро будет решена, но не похоже, что цена на этот материал снизится в обозримом будущем.

Бериллий
  Бериллий - это жесткий, легкий и дорогой металл, который недавно привлек к себе внимание, как возможный материал для велосипедной промышленности. Фирма Merlin начала работу с производителями берилловых труб около двух лет назад, но наши исследования показали, что удельная прочность бериллия очень высока, настолько высока, что будет трудно сделать берилловую раму с приемлемой пластичностью и хорошими ездовыми качествами. Кроме того, цена бериллия настолько высока, что финансовая выгода от разработки берилловой рамы не покроет расходов на ее производство. Даже те сплавы, которые содержат бериллий как основной элемент, настолько дороги, что вряд ли они найдут применение в велосипедной промышленности. К тому же, бериллий токсичен, хотя с этой проблемой можно справиться при применении нужных методов обработки.

Углеродное волокно
  "Углеродное волокно" - это термин, которым называют множество насыщенных углеродом сложных полиэфиров, графитовых волокон и полимеризованных углеродных волокон, которые используются в матрицах склеивающих (связующих) веществ, чтобы создать материал с тканевой структурой. Семейство волокон считается приемлемым для использования в велосипедной промышленности. Удельная прочность у этих материалов примерно в 3,5 раза выше, чем у титана 3-2.5. Максимальный предел прочности на разрыв примерно на 70% выше. Однако, это относится только к необработанным заготовкам, до того, как они пропитаны и сохраняются в форме эпоксидной смолы. Структурные свойства эпоксидных склеивающих веществ гораздо хуже. К тому же, эпоксидная смола обычно занимает 50% или больше площади поперечного сечения листа углеродного волокна. Этот уровень должен сохраняться для того, чтобы держать волокна вместе. После обработки удельная прочность углеродного волокна сильно снижается. К тому же, углеродное волокно анизотропно. Это означает, что оно проявляет направленные свойства. Например, волокно с коэффициентом растяжения 20000 ksi при продольном измерении имеет коэффициент всего 4000 ksi при измерении по секущей. Максимальный предел прочности на разрыв при продольном измерении составляет 220 ksi, а при измерении по секущей - в лучшем случае 10 ksi. Эти направленные свойства могут быть использованы с выгодой в некоторых структурах, например, как эластичная пружина. Однако, велосипедные трубы должны выдерживать многоплановые нагрузки одновременно: при растяжении, сжатии, изгибании, кручении по и против часовой стрелки. Поэтому, трудно найти применение анизотропии в велосипедной промышленности. Вдобавок к очень скромным структурным свойствам, демонстрируемым эпоксидной резиной, углеродное волокно имеет очень низкую пластичность и плохую устойчивость к абразивному износу. Низкая ковкость в тех велосипедах, в которых не используются разделенные кронштейны, ведет к поломке соединений и появлению трещин. Абразивный износ - это особенно трудная проблем, так как композиционные материалы очень чувствительны к зазубринам, настолько, что даже небольшая несовместимость в материале может развить большую трещину, которая приведет к поломке. Проблемы абразивного износа могут быть решены увеличением веса рамы за счет защитного слоя, или слоя фиброволокна, или, при увеличении цены и небольшом увеличении прочности, слоем кевлара, но устойчивость к образивному износу у этих и других сложных полиэфиров также низка. Абразивные и ударные повреждения могут быть устранены при помощи основанных на эпоксидных веществах наполнителей или дополнительного слоя. Однако, прочность восстановленного слоя будет меньше, чем у исходного материала, а вес будет выше.

Обернутые углеродным волокном титан и алюминий
  Титановые или алюминиевые трубы, обернутые связующим слоем углеродного волокна, предлагалось использовать для достижения синергического улучшения свойств материалов. Основные цели этого метода:
- улучшить характеристики низкопрочных труб. Низкий показатель соотношения прочности и жесткости у алюминия, например, может быть значительно улучшен слоем композиционного волокна;
- для защиты чувствительного к абразивному износ углеродного волокна в металлическом
экзоскелете;
  Этот метод имеет несколько недостатков:
- внешнее оборачивание углеродным волокном не решает проблемы абразивных повреждений композиционного материала;
- внутреннее оборачивание не обязательно предохраняет композиционный материал от ударных повреждений. Для создания рамы с приемлемым весом титановая или алюминиевая трубы должны быть очень тонкими, а значит они будут не устойчивыми к образованию выбоин.
  Так как титан очень эластичный, он может выдержать не очень сильный удар без существенных повреждений. Однако, слои внутренней обертки дадут трещины, которые превратятся в серьезные дефекты.
К тому же, отслоение композиционного материала от поверхности трубы - очень серьезная проблема.
  Существует по меньшей мере три причины возникновения этой проблемы:
- отслоение может происходить из-за удара. Если композиционный материал дал трещину, эта
трещина будет распространяться вдоль волокна. Трещина, возникшая из-за начального
дефекта, становится местом отслаивания;
- отслоение может возникнуть на концах поддерживающей трубы благодаря изгибаниям и кручением в процессе использования;
- отслоение может возникнуть из-за нагрузки. Когда связующие вещества используются в оборачивании, они должны выполнять две функции. Во-первых, они должны выступать в качестве связующего звена между волокнами. Во-вторых - как вещество, склеивающее композиционный материал и трубу. В идеале, два разных связующих вещества должны использоваться, но это не всегда возможно. Рамы из обернутых углеродным волокном труб показывают не очень хорошие весовые характеристики, так как после нанесения композиционного материала их нельзя сваривать, поэтому, они должны быть соединены в подвесные рамы.

Титан, окаймленный пористой структурой
  Окаймленные пористой структурой титановые трубы концептуально сходны с обернутыми изнутри композиционным материалом трубами. Единственная рама, которая в настоящее время задействует такую конструкцию, использует легкий стеклосотопласт, присоединенный к слою углеводородного волокна, который в свою очередь соединяется с тонкой титановой трубой. Рама подвесная. При современном дизайне пористая структура придает титану анизотропные усиливающие свойства. К сожалению, нельзя создать слои с направленной пористой структурой, как в случае с углеродным волокном. Так как рама должна быть подвешена для компоновки, ее вес не идеален; используемая 54-см рама весит 3 фунта, а пористая структура и углеродное волокно составляет 0.75 фунта в этом общем весе. 54-см экстралегкая рама фирмы Merlin весит 2.6 фунта.

Титановые части
  Обсуждение не будет полным без учета приемлемой цепи улучшений. Когда же улучшения любого материала не начинают превышать по цене выгоду от их внедрения настолько, что они уже не могут называться улучшениями?
    Вилки
  Самым большим препятствием в производстве титановых вилок с такой же жесткостью как у стальных и более легких, чем алюминиевые является рулевая труба, как обсуждалось в разделе "Использование и неправильная эксплуатация титана". Существуют и другие ограничения, которые делают титановые вилки непривлекательными:
- компактная конфигурация традиционной дорожной вилки (свода вилки) была оптимизирована для стали и немного изменена для алюминия. Копирование конфигурации алюминиевой вилки для титановой сделает ее жестче, но не легче. Достаточное уменьшение веса с титановой вилки для того, чтобы его сравнимым с весом алюминиевой вилки, включает в себя отливку или ковку, что значительно повысит цену;
- чтобы компенсировать более низкий коэффициент растяжения титана 3-2.5 (по сравнению со сталью), нужно увеличить диаметр ножек вилки. Это поможет сохранить вес, но усталостное вредное пространство становится больше;
- dropouts должны быть больше, для пригонки больших по размеру ножек вилки, что увеличивает вес.
В лучшем случае, тогда, титановая вилка может весить примерно как и алюминиевая и иметь жесткость титановой вилки, но она будет стоить как пять обычных вилок. Хотя титановые вилки дают некоторые дополнительные преимущества, непохоже, что их использование выгодно.
    Седельная стойка (подседельный штырь)
  Важными свойствами седельной стойки являются легкий вес, высокая прочность, хорошая устойчивость к поломкам и возможность регулировки в пределах седельной трубы. Применяемые алюминиевые седельные стойки горных велосипедов весят всего 220 грамм. Самая легкая титановая седельная стойка - 195 грамм. Титановая стойка будет иметь лучшую усталостную долговечность, но она будет и более гибкой. Титановые седельные стойки очень чувствительны к дизайну верхней части и качеству сварки. Наконец, если титановая стойка используется в титановой раме, она изотрется, хотя правильное смазывание может уменьшить эту проблему.
    Звенья цепи
  Звенья цепи должны быть легкими, жесткими и долговечными. Титановые звенья, по весу равные алюминиевым, не будут такими жесткими по двум причинам. Во-первых, соотношение коэффициента растяжения и плотности у алюминия на несколько процентов выше, чем у титана. Во-вторых, чтобы удовлетворить весовым ограничениям, титановое звено должно быть на 30% тоньше. Титановые звенья стандартной толщины могут быть более долговечные, чем алюминиевые, как по сроку службы, так и по сохранению рабочего состояния при ударах камней и т.д. Но это сохранение рабочего состояния достигается значительными прибавками в весе и цене. Композиционные материалы с металлической матрицей, базирующиеся на титане или алюминии могут быть идеальным материалом для производства звеньев цепи.
    Тормоза
  Суппорт тормоза должен быть жестким, устойчивым к поломкам и легким. С учетом вредного пространства и других особенностей дизайна очень трудно создать титановый суппорт, который сможет обладать и легким весом, и жесткостью алюминиевого эквивалента. Алюминий и композиционные материалы с металлической решеткой прекрасно подходят в данном случае.
    Стержни нижней подвески(крепежной скобы)
  Здесь важны такие свойства, как устойчивость к поломкам, легкий вес и точность. Стержень Dura-Ace или XTR фирмы Shimano, сделанный из подвергнутой тепловой обработке стали 4140, имеет прекрасные усталостные характеристики, примерно вдвое лучше, чем у стержня из титана 6-4. Стержень из титана 6-4 значительно легче, но его усталостная долговечность не приемлема. Еще одним недостатком титанового стержня является то, что он не может быть упрочнен для создания долговечной поверхности. Таким образом, титановые стержни должны задействовать уплотняющие вкладыши, что приводит к увеличению веса, сложности и дороговизне производства.
    Болты
  Легкие титановые болты, в основном сделанные из титанового сплава 6-4, демонстрируют отличную продолжительность службы и прочность в велосипедной промышленности. Коррозийная устойчивость титана - дополнительное достоинство. Более низкий коэффициент растяжения титана (по сравнению со сталью) - серьезный недостаток, так как, поэтому фактически все болты используются у сидельных частей рамы, где гибкость болтов не важна. Однако, титановые болты могут истираться или заклинивать при применении в других титановых частях. Этого можно избежать при обильном применении противозаклинивающих составов перед вкручиванием.
    Руль велосипеда
  Высокое усталостное сопротивление титана может быть использовано для создания рулей горных велосипедов с высокой пластичностью. Такой руль будет обеспечивать более удобную езду. Однако, если задача состоит в создании руля с жесткостью, равной жесткости имеющихся стальных или алюминиевых рулей, то вес такого титанового руля будет несравнимо большим.
    Стержни
  Штампованные алюминиевые стержни для дорожных велосипедов и сваренные стальные стержни для горных велосипедов легкие и жесткие и имеют хороший запас прочности. Можно сделать титановый стержень такого же веса, но жесткость будет меньше. Увеличение жесткости ведет к увеличению веса. Сваренная титановая комбинация руля и стержня может быть такой же жесткой и весить меньше, чем существующие сейчас эквиваленты, но серьезным недостатком будет более высокая цена.

Будущее титана
  Хотя разрабатываются новые титановые сплавы, сплав 3-2.5 имеет прекрасный потенциал. Утолщенные с двух концов стальные трубы были запатентованы в 1897, но утолщение концов никогда не применялось к цельнотянутым титановым трубам до 1990 года. Возможности этого материала дальше иллюстрируются подвесной рамой фирмы Merlin, в которой звенья цепи используются как неразъемные рессоры(пружины), устраняя вес разделяющих шарниров и сильно упрощая техническое обслуживание.
  Как сказал Чак Тексерия, инженер фирмы Easton Aluminium, " Если бы кто-нибудь сделал [с титаном] то, что [Easton] делает с алюминием [имеется в виду утолщение концов], то будет найден наилучший материал". Мы сейчас находимся у этой черты с титаном 3-2.5.
Валерий Новиков
Техподдержка
Skype: velobigg
VELOBIG
Site Admin
 
Сообщения: 2132
Зарегистрирован: 28 май 2007, 09:31
Откуда: Москва, velobig.ru

Вернуться в ТИТАН

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1