Разрушение стереотипов. Сравнение рам из алюминия 6061 и 7005
Модели велосипедов с алюминиевыми рамами являются одними из самых продаваемых, и по статистике именно на них приходится наибольшая доля продаж на рынке.
Это объяснимо, ведь рамы из стали низкого качества уходят в прошлое (хотя с высококачественной сталью дело обстоит совершенно иначе), карбон зачастую достаточно дорог, а раму из титана не так уж просто найти. Ниже подробно описаны различия между двумя самыми распространенными сплавами алюминия, которые используются в велопромышленности: 6061 и 7005, а также различные технологии повышения их рабочих характеристик.
Есть две основные причины популярности сплавов алюминия 6061 и 7005 в велопромышленности: доступность и физические свойства. Еще два сплава, которые также могут использоваться, 6066 и 6069, распространены намного меньше, по крайней мере, сейчас. Даже скандиевые рамы по существу делались из алюминия, сплавленного с небольшим количеством скандия, но, несмотря на это, стоили слишком дорого. Существуют и другие сплавы алюминия, такие как 7075 и 2014, которые отличаются высокой прочностью, но практически не поддаются сварке.
Сплав 6061 включает в себя алюминий, магний и кремний, и считается предпочтительнее, чем 7005, состоящий из алюминия и цинка, хотя последний более стоек к сжатию и ударам, и способен выдерживать нагрузку в 51.000 psi. Для сравнения, сплав 6061 выдерживает давление до 45.000 psi. Но эти данные получены в лабораторных условиях на примере труб из разных сплавов алюминия. В готовых рамах на устойчивость к нагрузкам влияют такие дополнительные факторы как качество сварки, форма трубы и толщина стенок.
Практика показывает, что разница между сплавами 6061 и 7005 действительно существует, но ее можно не принимать во внимание. Маловероятно, что обычный пользователь подвергнет свой велосипед таким нагрузкам, при которых предел прочности сплава будет играть важную роль.
Но тогда почему предпочтение отдается сплаву 6061, а не 7005? Потому что 6061 проще в обработке, а, следовательно, изготовление рам из него дешевле. По сути, сплав 6061 позволяет производить рамы меньшего веса и более сложной конструкции. Кроме того, немаловажным фактором является произошедшее в последние годы удешевление технологий и оборудования для работы со сплавом 6061.
Кроме того, необходимо объяснить еще два термина, которые часто встречаются в описании рам из алюминия: баттинг и коническая форма трубы.
Что значит одинарный, двойной и тройной баттинг?
Коническая форма трубы используется в рулевом стакане (часть рамы, куда устанавливается рулевая колонка). В двух словах, диаметр верхней части трубы меньше, чем диаметр нижней части. Таким образом производители добиваются большей прочности этой части рамы, высокой жесткости и лучшей устойчивости велосипеда.
Алюминиевые сплавы для велосипедных рам. Современные алюминиевые сплавы.
Современное велостроение активно использует алюминиевые сплавы для изготовления велосипедных рам. Известно несколько особенно широко применяемых алюминиевых сплава. Так какой же именно алюминиевый сплав лучше подходит для изготовления рамы велосипеда и раму из какого сплава лучше выбрать?
Всё довольно просто. Разница кроется в технологии получения готового изделия. Но давайте рассмотрим всё по порядку.
Сперва нужно разобраться, какие именно сплавы алюминия используются для изготовление велосипедных рам сегодня?
Таких сплавов несколько и вы наверняка сталкивались с их своеобразной маркировкой, которая нанесена прямо на раму. Чаще всего встречаются такие обозначения, как Al6061 и Al7005. Довольно редко можно встретить обозначение Al7075. Иногда эти аббревиатуры записываются немного иначе. Выглядит это следующим образом – 6061T6, 7005T6 и соответственно 7075T6.
Что же означает эта маркировка? Маркировка определяет химический состав сплава, а в случае указания дополнительной буковки Т6 указывает и на тип термической обработки. Указанный тип записи используется для обозначения именно алюминиевых сплавов. Все эти сплавы относятся к дуралюминам. Дюрали — это сплавы, основными компонентами которых являются медь и, собственно, алюминий. Помимо этих компонентов добавляются и прочие легирующие добавки. Эти сплавы характеризуются хорошей способностью к деформированию и механической обработки.
Я не буду забивать вам голову излишним количеством таблиц с непонятными для простого читателя показателями, а просто кратко опишу достоинства и недостатки каждого из сплавов.
Итак, как мы увидели, чаще всего приходится иметь дело с такими сплавами, как 6061, 7005, 7075. Все эти сплавы – дуралюмины. Все они используются в обработанном состоянии, т.е. подвергались термической обработке. Это может быть и не указано в маркировке, а может и указываться дополнительно в виде той самой магической буковки Т6. Именно это указывает, что сплавы подвергались закалке с последующим искусственным старением. Но, ещё раз повторю, что даже без указания этой информации в марке надо знать – в исходном состоянии такие сплавы не употребляются.
Все указанные сплавы имеют русские аналоги. Вероятно, для пользователя будет проще воспринимать наш отечественный стандарт. Поэтому, запомните, что сплав 7005 это эквивалент сплава 1019, сплав 6061 – это практический полный аналог АД33. Ну и высокопрочный алюминиевый сплав 7075 в нашей стране называется сплавом В95.
Все эти сплавы имеют примерно одинаковый диапазон механических свойств. Отличается лишь алюминий 7075 – этот сплав значительно прочнее и менее пластичен. Но используется он редко и такая рама вряд ли вам встретится.
Для человека, который не знает, какую раму или велосипед с какой рамой лучше выбрать, нужно запомнить самое важное. По большому счёту, абсолютно всё равно, из какого именно сплава будет изготовлена ваша рама. Все алюминиевые рамы обладают примерно одинаковыми свойствами и за годы эксплуатации выяснено, что особой разницы нет. Но есть незначительные различия. А какие различия есть между Al 7005 и Al6061?
Всё тоже довольно прозрачно. Сплав 6061 обладает наилучшими показателями с точки зрения обработки и механических свойств. Этот сплав хорошо сваривается и высокотехнологичный. Соответственно, производитель выбирает именно этот материал. Поскольку свариваемость этого сплава великолепная и обрабатывается он отлично, то и пользователь может рассчитывать на более высокое качество рамы. Тогда как сплав 7005 хоть и обладает близкими механическими свойствами, но сваривается значительно хуже своего аналога 6061. Соответственно, при прочих равных условиях, для изготовления рамы из 7005 алюминия требуется более качественное оборудование и отработанный технологический процесс, которым обладает далеко не каждая фирма. Как следствие, мы имеем море информации в сети, что рамы из 7005 алюминия часто и сильно трескаются, а также имеют предел использования 5 лет. Да, такая тенденция известна. Но причина её не в разительных отличиях этих двух материалов, а в отсутствии необходимой методики обработки алюминия 7005. Это приводит к появлению зон перегрева при сварки и прочих неприятных последствиях, что объясняет появление трещин в зоне термического влияния сварного шва.
Из всего вышесказанного следует сделать вывод, что лучше выбрать раму из алюминия 6061 или АД33. Рама из алюминия 7005 не обязательно плохая, но есть незначительный (читаем правильно – незначительный) риск натолкнуться на не совсем качественный образец. Если у вас остались какие-то вопросы, откройте марочник сплавов и проверьте уровень механических свойств для этих двух сплавов.
Особняком тут стоит сплав 7075. Встречается он совсем редко. Но встречается. Чем он интересен? Он хорош тем, что сплав В95 и алюминий 7075 обладает более высоким диапазоном всех механических свойств. Однако сплав менее технологичен. И свариваемость этого сплава ещё меньшая, чем у сплава 7005. Если алюминий 7005 недобросовестный изготовитель порой ухитрится кое-как слепить, то сплав 7075 банально не получится сварить стандартными способами. Именно поэтому, редкий производитель берется за это дело, а если берется, то вынужден доводить его до конца и делать приличную раму по всем канонам. Тем не менее, я бы советовал воздержаться от выбора такой рамы. Рамы из 6061 ходят очень неплохо и имеют приличный ресурс. Тут в целом и нет особой необходимости выискивать 7075. А вот переплата будет ощутимая.
Таким образом, приходим к выводу, что лучшим сплавом для велосипедной рамы, из используемых сегодня, так и является алюминий 6061.
Помимо этих широко известных материалов есть и так называемые скандиевые рамы. Что это такое? Конечно же, никакой это не скандий. Это сплав алюминия и скандия. Рамы эти действительно лучшего качества и материал этот более перспективен. Но цена нещадная, а количество подделок огромное.
Разделы
Персональные инструменты
Действия с Документом
Материал рамы и прочность
Различия свойств алюминиевых сплавов 6061, 7005 и 7075
Оригинал данной статьи находится здесь: http://velosamara.org.ru/.
Перепечатка данной статьи осуществлена с разрешения автора.
Автор выражает благодарность господину под ником Proff, дискуссия с которым подвигла к написанию данной статьи, и господину 100kg, поднявшему данную тему в форуме. Пришлось напрячься и вспомнить, чему учили в авиаинституте.
Основные определения (при чтении, конечно, можно пропустить)
Все нижепоименованные термины относятся к характеристикам МАТЕРИАЛА. Характеристики КОНСТРУКЦИИ, каковой является рама, при похожих названиях (прочность, жесткость, упругость, усталостная прочность), будут относиться к конструкции в целом, и могут быть одинаковыми или близкими для конструкций из разных материалов — к чему и стремятся, в принципе, конструкторы. Но при этом у конструкций будут существенно отличаться другие характеристики — например, вес, размеры труб, их форма, диаметр, толщина стенок и т.д.
Жесткость материала — свойство материала, отражающее способность материала сопротивляться нагрузке и не деформироваться (изгибаться, растягиваться). Чем больше деформация при приложении одинаковой нагрузки — тем жесткость ниже. При этом речь идет о восстановимой (упругой) деформации — то есть, при устранении нагрузки образец принимает первоначальную форму.
Прочность материала — свойство материала, отражающее, какой должна быть нагрузка на стандартный образец для его разрушения. Чем выше прочность материала, тем бОльшие нагрузки будет выдерживать конструкция без изменения геометрии. Следует учесть, что из одного и того же количества материала можно соорудить конструкции (например, велорамы) различной жесткости и прочности — это хлеб конструкторов.
Предел прочности на разрыв — величина нагрузки, при превышении которой происходит разрушение. Определяется при испытании образцов стандартной формы. Характеризует прочность материала — чем больше, тем лучше.
Модуль упругости — величина, характеризующая жесткость материала. Чем больше, тем материал жестче. Собственно модуль упругости — коэффициент зависимости между деформацией и нагрузкой.
Удельная прочность — отношение предела прочности к плотности, характеризует прочность при одинаковом весе конструкции — чем выше, тем конструкция легче при одинаковой прочности.
Предел текучести — величина нагрузки, при превышении которой наступает невосстанавливаемая деформация — материал «течет» — ведет себя как пластилин, то есть деформации необратимы — при устранении нагрузки деформация остается.
Относительное удлинение при разрыве — средняя величина удлинения деформируемой детали до её поломки (разрыва при растяжении). Косвенно отражает пластичность материала (пластичность — свойство материала необратимо изменять форму при нагружении).
Ограниченный предел усталости (на базе 500 млн. циклов) — величина нагрузки, при которой наступает разрушение после 500 млн. циклов нагружения. Следует учесть, что алюминиевые сплавы, в отличие от сталей, не имеют предела усталости (величины нагрузки, при непревышении которой при эксплуатации разрушения не происходит вообще при любом количестве циклов нагружения). По данной причине определяют ограниченный предел усталости (для определенного числа циклов). Поскольку зависимость нагрузки, вызывающей усталостное разрушение, от количества циклов, носит нелинейный в логарифмических координатах характер (то есть при увеличении нагрузки в разы усталостная долговечность падает в десятки, сотни, тысячи и миллионы раз, пусть вас не обнадеживает цифра в 500 млн. циклов нагружения).
Твёрдость по Бринелю — величина, характеризующая твёрдость материала. (Твеpдость — способность металла пpотивостоять пpоникновению в него дpугого, более твёpдого тела. Метод Бpинеля пpименяется для измеpения твёpдости сыpых или слабо закалённых металлов.)
«Т6 и прочие цифры после Т» — написанное после кода материала означает температурную обработку.
Т6 относится к процессам прочностной обработки и закалки металла. Все велосипедные рамы проходят температурную обработку, даже если производители не пишут «Т6» после номера класса алюминия.
Теперь, когда с определениями покончено, попробуем разобраться, какие свойства необходимы конструкциям велосипедных рам для различных стилей катания и почему.
Какие основные свойства необходимы рамам для различных дисциплин?
Шоссе — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий гонщика, устойчивость и управляемость. Рамы больших размеров.
Самые очевидные требования — высокая жесткость, малый вес и хорошая аэродинамика.
КК — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий райдера, устойчивость и управляемость в условиях пересеченной местности, выдерживать длительное воздействие циклических нагрузок.
Используются амортизаторы. Возможны достаточно большие размеры рамы.
Требования — высокая жесткость и малый вес.
FR, downhill — Рама должна быть весьма прочной, выдерживать большое количество циклов нагружения с весьма высокими уровнями нагрузок. Вес играет меньшую роль.
Размеры рамы — существенно меньше, чем для КК. Может использоваться конструкция с двумя амортизаторами — двухподвес.
Используются передние амортизаторы с большим ходом.
Жесткость также нужна, но может достигаться конструктивными решениями — либо монокок (сварная конструкция из половинок, штампованных из листа), либо маленький треугольник из толстых труб, как следствие — большая длина сварных швов.
Основные требования — высокая прочность и долговечность.
На что влияют жесткость рамы и ее альтернатива — упругость?
Упругая конструкция способна поглощать часть энергии нагрузки, прикладываемой к конструкции.
Жесткая конструкция передает энергию нагрузки практически без потерь.
Для случая скоростного спуска с горы некоторая упругость рамы может оказаться положительным качеством — часть энергии ударов, не поглощенная амортизаторами, будет поглощаться самой рамой, и райдеру достанется меньше. Но тут важно не перегнуть палку — иначе пострадает прочность или управляемость, так нужная DH на высокой скорости.
Основное требование — высокая прочность и долговечность. Поэтому рамы DH обычно имеют либо монококовую констукцию, либо большую толщину стенок трубы, переменную по длине трубы геометрию (гидроформинг), и в данном случае необходим материал с высокой технологичностью — хорошо сваривающийся, легко поддающийся обработке давлением.
Что касается рам для BMX, trial или street — упругость рамы тут скорее плюс, чем минус. Требования высокой прочности при небольших размерах рам делают сталь вполне оправданным выбором для таких рам.
Теперь о КК-рамах. В КК, как ни в одной из других дисциплин (кроме шоссе) важно, чтобы усилия райдера при разгоне не расходовались на раскачивание и упругие деформации рамы — отсюда вывод о необходимости обеспечить раме максимальную жесткость. Необходим минимальный вес рамы — чтобы не везти в гору лишнее. С другой стороны, гонка идет по пересеченной местности, и все неровности трассы, не поглощенные амортизатором, прямо передаются жесткой рамой райдеру. И все же «накатистость» рамы обычно берет верх над неудобством жесткой рамы. Как вариант — двухподвесные рамы хитрой рычажной конструкции, обеспечивающей как поглощение ударов, так и неизменность расстояния между седлом и осью каретки, что минимизирует потери усилий райдера. Однако подобные конструкции требуют больше материала и также критичны к технологичности материала.
Жесткость конструкции и жесткость материала
Теперь пара слов о жесткости конструкций, которую не следует путать с жесткостью материала.
Одинаковой жесткости конструкции (то есть способности противостоять нагрузке, не деформируясь), можно добиться двумя путями:
Очевидно, что увеличение диаметра труб при том же материале вызовет увеличение количества материала — и соответственно веса.
Таким образом, из одного и того же материала получаются конструкции различной прочности и жесткости, и наоборот — одинаковой прочности и жесткости конструкции можно добиться при использовании различных материалов. Основное различие здесь — в весе.
Как уже неоднократно отмечалось в различных статьях о велорамах, сталь — материал самый жесткий, самый прочный, но и самый тяжелый. Именно поэтому труба для стальной рамы будет небольшого диаметра (жесткость и так высока, прочность позволяет делать трубы тонкостенными, а большая плотность не дает увеличить диаметр трубы). В результате при нужной прочности и весе жесткость конструкции оказывается ниже, чем у столь же прочной алюминиевой конструкции подобного веса, особенно при равных размерах конструкций.
Выбираем оптимальный материал
Итак, одновременно легкую, прочную и весьма жесткую раму для КК логичней всего изготавливать из алюминиевого сплава, поскольку его удельные прочность и жесткость выше, чем у стали. Отдельно нужно отметить упругие КК-рамы из стальных сплавов Reynolds 631, Reynolds 853 — благодаря тому, что эти сплавы термоупрочняются (закаливаются) на воздухе (air-hardened), за счет равной прочности сварных швов с основным материалом удается построить легкую стальную КК-раму.
Небольшим по размерам рамам для BMX вполне подойдет сталь — к тому же она дешевле и технологичней алюминия.
Сравнительные характеристики алюминиевых сплавов
Встает следующий вопрос — какой именно сплав алюминия выбрать для КК рамы?
| Сравнительные характеристики алюминиевых сплавов, применяемых для изготовления велосипедных рам (по данным сайта MatWeb) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||