Міф про “суперсплави”

Result_94-4percent

Всі ми знаємо про те, що «нормальні велосипеди» роблять з алюмінію або титану, у крайньому випадку, з авіаційної сталі. Деякі «дуже розумні дяді» на вело форумах навіть полюбляють називати сталеві велосипеди «залізними».


Звісно, ця тенденція (ганятися за надлегкими, або надміцними сплавами) перекинулась і на велосипеди HPV. У цій справі взагалі багато міфів і невірних стереотипів, от ми, разом із Володимиром Ізмайловим (що з Латвії bent.lv) спробували провести аналіз доступних даних по властивостям деяких марок сталі та інших металів.
Були проведені віртуальні випробування труб з цих матеріалів, особлива увага приділялась параметру жорсткості (на скільки труба відхиляється під заданим навантаженням. Умови тестів були однакові для всіх матеріалів).
Дані для властивостей сплавів особисто я брав з таблиць ГОСТів, якщо таких матеріалів ще не було в програмі для тестування. Так я «створив» нові матеріали для тесту (сталі 08КП – доступна труба, та 30ХГСА – авіаційна сталь).
Чули таке, що якщо замінити «звичайну сталь» на авіаційну, то можна вдвічі зменшити товщину стінки труб, тобто зменшити вагу у два рази і не втратити у міцності? Особисто я вважав, що авіаційна сталь на 20% міцніша за «звичайну».

Давайте в цьому розберемось.
По-перше, що називати «звичайною сталлю»? Якщо «сталь 3», то вона дійсно має погані характеристики жорсткості та міцності. Така сталь використовується, наприклад для будівництва (опори електромереж з неї побудовані). Вона – найдешевша.
Тонкостінні труби зазвичай роблять з більш міцної сталі, бо виробник розуміє, що треба компенсувати тонку стінки більшою міцністю матеріалу. Найрозповсюдженіша сталь для електрозварних труб – «сталь 08КП». Труби з неї легко знайти в Україні. Особисто я використовую саме її для своїх конструкцій.

Отже я почав порівнювати авіаційну сталь (30ХГСА) не зі «сталлю3», а зі сталлю «08КП». Нижче ви можете бачити таблиці з фізичними характеристиками.

30ХГСА_свойства 08КП

Навіть по цих таблицях видно, що в нормальних умовах ці сплави мало чим відрізняються. Майже однакова щільність, дуже схожа жорсткість. Єдине, в чому авіаційна сталь значно краща – зусилля на руйнування. Також авіаційна сталь зберігає свої властивості при значно більших температурах, проте велосипедів це не стосується.

Тести за жорсткість труб з цих сталей дали дуже близькі результати. Авіаційна сталь виявилась лише на 5.4% жорсткішою. Нагадаю, що жорсткість рами напряму впливає на керованість велосипеду.

Виходить така штука, що, не дивлячись на те, що авіаційна сталь витримує приблизно в два рази більше навантаження (до руйнування), це не дозволяє на стільки ж зменшити товщину стінки труби, бо якщо це зробити то втрачається жорсткість рами. А щоб не втратити жорсткість можна зменшити товщину стінки всього на 5.6%, що не має сенсу. Що стосується вдвічі більшої міцності, то вона не потрібна в нормальних умовах експлуатації. Навантаження, здатні зруйнувати раму, виникають тільки під час аварій.

Result_94-4percent

Ви можете заперечити сказавши, що виробники велосипедів не дурні, раз використовують інші матеріали. Так, це правда. Якщо у вас є можливість купувати труби з авіаційної сталі, то користуйтесь нею. Але, для того, щоб справді отримати виграш у вазі, не втративши у жорсткості, необхідно не просто купити легкі труби. Необхідно аналізувати конкретну конструкцію рами, і вже по результатах аналізу робити висновки про можливість заміни матеріалу на менш жорсткий, але легший (він може бути легший або за рахунок іншого металу, або за рахунок меншої товщини стінки).

Наприклад, якщо мова йде про конструкції з тонких трубок, що утворюють трикутники (рама класичного велосипеду) то там є сенс використовувати легкі, але менш жорсткі матеріали (тонкі трубки з авіаційної сталі, або трубки з титану, алюмінію і .д.) бо жорсткість задається самою конструкцією.
А якщо мова йде про хребтову раму, або вилку (як на більшості апаратів HPV) то тут доведеться нарощувати товщину стінки, щоб не втрачати жорсткість (в порівнянні зі сталевою рамою). Наприклад титан має жорсткість майже в два рази меншу, ніж сталь 08КП, це значить, що для тієї ж жорсткості титанова труба має бути з у два рази товстішою стінкою, а значить, виграшу по вазі не буде.
Алюміній має жорсткість майже в три рази меншу за сталь 08КП, його щільність також менша у три рази… Тобто, для такої ж жорсткості труба з алюмінію повинна бути в три рази товстішою за сталеву…

Хочу одразу заспокоїти тих, хто розкаже про екзотичні сплави алюмінію, або про способи його закалювання. Ці методи не для невеличкої майстерні.

Також ми ще не досліджували карбон. Це окрема тема, а характеристики матеріалу напряму залежать від технології виробництва і зборки.

 

 

 

Короткий висновок такий: для хребтових рам та вилок немає сенсу купувати щось, окрім сталевих труб (сталі 08КП). Добре, якщо у вас є можливість їх купити, але якщо немає – не переживайте 🙂

Коротко про жорсткість: СТАЛЬ 30ХГСА = 225000 Н\ММ², СТАЛЬ 08КП=203000 Н\ММ², Залізо=120000 Н\ММ², Титан=110000 Н\ММ², Алюміній=70000 Н\ММ² .

 

Ви можете прослідкувати за дискусією на клубному форумі.

3 коментарі до "Міф про “суперсплави”"

  1. Ищите таблицу физических свойств и сравните с таблицами из статьи. Испытывать оосбо нет смысла, т.к. величина отклонения напрямую зависит от параметра “Модуль упрогости”. Например “20ПС” – модуль упроугости – 212 (почти такая же, как у 30ХГСА).

    Вот тут таблицы: http://s-metall.com.ua/spravochnik_stalej.html

Залишити відповідь