Materijali ramova bicikala – objašnjeni

U ovom članku objasniću popularne materijale za pravljenje ramova bicikala (karbon, čelik, aluminijum, titanijum…). Navešću prednosti, mane i ograničenja svakog pojedinačno. Uz uvodnu priču koja objašnjava pojmove poput čvrstoće, tvrdoće, elastičnosti… Članak je dugačak, ali ispod je sadržaj tako da možete preskočiti na delove koji vas zanimaju. Svako poglavlje ima link za povratak na taj spisak sadržaja, označen sa: “- sadržaj -.”

Sadržaj:

1. Uvod
2. Svojstva materijala (ramova bicikala)
   2.0. Legure (metala)
   2.1. Gustina (“specifična težina”)
   2.2. Krutost
   2.3. Izduženje – Duktilnost – plastična deformacija
   2.4. Zatezna (vlačna) čvrstoća (“snaga”)
   2.5. Dinamička čvrstoća – zamor materijala
   2.6. Žilavost
   2.7. Zaključak svojstava – otkrovenje
3. Dizajn rama bicikla – osnove
4. Baš Čelik
   4.1. Konvencije za označavanje legura čelika
   4.2. Čelik kao materijal za ram bicikla
   4.3. Šira slika
   4.4. Čelični ramovi – razbijanje mitova
5. Aluminijum
   5.1. Obrada aluminijuma i njegovih legura
   5.2. Konvencije za označavanje legura aluminijuma
   5.3. Aluminijum kao materijal za ram bicikla
   5.4. Aluminijumski ramovi – razbijanje mitova
6. Titanijum
   6.1. Titanijum kao materijal za ram bicikla
   6.2. Titanijumski ramovi – razbijanje mitova
7. Karbonska vlakna
   7.1. Kompozitni materijali
   7.2. Karbonska vlakna kao materijal za ram bicikla
   7.3. Karbonski ramovi – razbijanje mitova
8. Zaključak – mišljenje autora
9. Pogovor
10. Izvori

1. Uvod

Ovaj članak je namenjen kao moj lični podsetnik. Da imam pri ruci sve što sam tokom godina naučio o materijalima i ramovima. Da li će pomoći još nekom? Ne znam. Možda.

Osim puke radoznalosti (i bržeg rešavanja ukrštenih reči 🙂 ), ovo može pomoći da se razluče marketinške cake, od korisnih svojstava. Primetio sam da se proizvođači bicikala često koriste raznim trikovima, kako bi ljude ubedili u nešto što nije baš istina, a bez da tehnički kažu neku laž (vrlo lukavo).

Ograda: nisam mašinski inženjer. Uprkos puno čitanja, učenja i velikom iskustvu u vožnji i servisiranju bicikala, sve informacije pružene ovde treba shvatiti kao: “koliko sam ja upoznat.” Ništa više, ni manje od toga. Slično kao i moj članak o mastima za ležajeve bicikala.

Već sam pisao o geometriji ramova bicikala. Ona utiče na vozne karakteristike, kao što su upravljivost i udobnost. Pisao sam i detaljno o uticaju geometrije rama bicikla na udobnost.

Ovde se suštinski bavim problemom: kako napraviti ram bicikla da bude što lakši, a ipak dovoljno jak (i, ako je moguće, udoban). Objasniću detaljno metale, ali bez brige, pre kraja baviću se i karbonom.
– sadržaj –

2. Svojstva materijala (ramova bicikala)

Prodavci bicikala i ramova se često “gađaju” terminima poput: “ovaj ram je lateralno krut, a vertikalno savitljiv. Uz gomilu sličnih marketinških besmislica. Kako da znate šta je od toga zaista istina, a šta samo treba da zvuči moćno? Počinje se od razumevanja svojstava materijala – i njihovog odnosa sa dizajnom ramova bicikala. Objasniću ovo prostim jezikom – mada će delovati malo strašno na početku. 🙂

Postoje tri grupe svojstava materijala: hemijska, fizička i mehanička.

• Hemijska svojstva materijala su:
  otpornost na koroziju, otpornost na kiseline i baze, reaktivnost, rastvorljivost, otpornost na iradijaciju, i elektrohemijski potencijal.
• Fizička svojstva su:
  boja, gustina, magnetska permeabilnost, termičko izduženje, i specifična električna provodljivost.
• Mehanička svojstva:
  tvrdoća, žilavost, krutost, izduženje, zatezna (vlačna) čvrstoća, otpornost na smicanje, i dinamička čvrstoća.

Neka od ovih svojstava su vam sigurno već poznata. Bez brige i ako nisu. Za sada je važno da zapamtite da su svojstva međusobno povezana. Kao što čovek koji je veoma težak (deb’o), obično bude i veoma spor – tako i materijal koji je veoma tvrd, obično bude i dosta krut.

Neka svojstva su manje važna kada je pravljenje rama bicikla u pitanju. Električna provodljivost na primer, može pomoći da se uštedi jedna žica za svetla kod bicikala sa dinamom, ali mimo toga nije baš preterano bitna.

Druga, poput hemijskog svojstava: “otpornost na koroziju”, su veoma važna. Ne želite ram koji će zarđati i potruliti posle sat vremena na svežem vazduhu. Mislim da ovo ne treba dalje pojašnjavati. Isto važi i za rastvorljivost u vodi.

Ipak, za pravljenje ramova bicikala najinteresantnija su mehanička svojstva materijala. Uz fizičko svojstvo “gustina”. Zato ću detaljnije objasniti ta svojstva koja su važna za pravljenje ramova bicikala. Pre toga da objasnimo šta su to legure:
– sadržaj –

2.0. Legure (metala)

Prosto rečeno: legura je mešavina metala. Preciznije: legura je kontrolisano, proračunato dodavanje različitih elemenata u metal, kako bi se dobio bolji materijal (jači, otporniji na koroziju itd.).

• Dodaci mogu biti drugi metali. Na primer: u leguru “aluminijum 6061” dodaje se oko oko 1% magnezijuma, i oko 0,6% silicijuma, kako bi postala puno jača. Iako su svi ti materijali sami po sebi dosta mekani i slabi. Čarobno!
• Dodaci mogu biti i ne-metali. Tako se ugljenik (“ugalj”) dodaje u gvožđe, kako bi se dobila legura za koju ste sigurno čuli – “čelik” (YouTube link… nisam mogao odoleti 🙂 ). Što gvožće čini malo više krtim, ali puno više jačim (nešto dobiješ, nešto izgubiš).

Napomena: U SAD, ljudi često kažu “legura” (eng. “alloy”), kada misle “legura aluminijuma” (“aluminium alloy”). Ovo često rade i prodavci/proizvođači bicikala. Da ne bude zabune: kad kažem “legura”, mislim na ovde objašnjenu mešavinu. Imajte ovo na umu dok čitate ovaj članak, i brošure (ramova) bicikala na engleskom.
– sadržaj –

2.1. Gustina (“specifična težina”)

Koliko je materijal “težak” za datu zapreminu. Šaka stiropora je lakša od šake eksera.

Izražava se u gramima po kubnom centimetru (ili po litri, što je 1.000 kubnih cm) – “g/cm³“. Nekoliko primera:

• Tako legura aluminijum 6061 ima gustinu od 2,7 g/cm³.
• Legura čelik AISI 4130 teži 7,85 g/cm³. Skoro triput teže od aluminijuma!
• Legura titanijum 3AL-2.5V je negde između po težini, sa 4,48 g/cm³.

Ovaj odnos gustina je lak za zapamtiti, a važan za ovu temu. Ugrubo, po pitanju gustine (“težine”):
Aluminijum = 1/2 gustine Titanijuma i 1/3 gustine Čelika

Zbog čega onda aluminijumski ram nije više od upola lakši od čeličnog? Ukratko: zbog drugih svojstava, poput čvrstoće i krutosti. Da biste razumeli, čitajte dalje.

Ono što zaista merimo je masa. Težina koju merimo kad stanemo na vagu je masa pod dejstvom privlačenja Zemljine gravitacije. Ali to je tema za poseban članak, a za potrebe ovog dogovorićemo se da je težina = masa (oprosti, čika Njutne).
– sadržaj –

2.2. Krutost

Krutost = koliko se teško materijal savija. Merimo je & upoređujemo preko “modula elastičnosti“, poznatog kao “Jungov modulus“.

Na prostom srpskom, ako hoćete da zvučite pametnije:

• nemojte reći da je guma elastična, ili da ima malu krutost.
• Recite da guma ima mali “Jungov modulus”, ili mali “modul elastičnosti”.

Izražava se u Paskalima, tj. Njutnima po kvadratnom metru: Pa (Pa = N/m²).
Ameri koriste paskale po kvadratnom inču (PSI – eng. pascal per square inch).

U praksi se Jungov modulus najčešće izražava u Giga-Paskalima: GPa.
GPa = milion Pa (tj. 10⁹ Pa).

Primeri:

• Aluminijumov Jungov modulus je 70 GPa.
• Čelik ima oko 200 GPa – gotovo triput je krući.
• Titanijum ima oko 100 GPa.

Jungov modulus se NE menja sa termičkom obradom metala, ili legure. Na primer:

• Možete uzeti aluminijum, dodati magnezijum i silicijum (između ostalog) – i napraviti leguru aluminijuma 6061.
• Ako umesto toga aluminijumu dodate cink, dobićete leguru 7075.
• Legura aluminijuma 6061 ima 69 GPa, dok 7075 ima oko 72 GPa.
• Međutim, bez ozbira na to kako termički obrađujete leguru 6061, nećete je napraviti krućom (ni manje krutom). Isto važi za ostale metale i legure.

Termička obrada je važna da se eliminiše stres materijala nastao prilikom varenja, može uticati na zateznu čvrstoću i duktilnost, ali ne utiče na krutost. Ako želite zvučati pametno & načitano: elastična svojstva metala se ne menjaju sa termičkom obradom – menjaju se samo plastična svojstva.
– sadržaj –

2.3. Izduženje – Duktilnost – plastična deformacija

Budite hrabri, nije ništa strašno i neće boleti. Samo još par termina. 🙂 Krenimo:

Koliko se materijal može istegnuti/izdužiti, pre nego što se pokida. Meri se i izražava u procentima – za koliko procenata se materijal izdužio pre pucanja.
To je mera duktilnosti materijala. Šta je, zaboga, duktilnost?! Paj’s sad:
Duktilnost je koliko puno može materijal da se plastično deformiše pre nego što pukne.
Plastična deformacija?! Zar ne pričamo o metalima?
Plastična deformacija je kad savijete, ili sabijete materijal toliko da se on više ne vraća na staro, već ostane deformisan.

Pojednostavimo ovo:
Glina je veoma duktilna. Staklo je relativno jako, a nije duktilno (a i ne izdužuje se baš nešto). Za ram bicikla želite materijal koji će se saviti, pre nego što pukne (raspe se). Što duktilnije, to bolje. 🙂

• Cev od legure aluminijuma 6061 ima izduženje od oko 17%.
• Legura čelika 4130 se isteže do 25%, ali legure čelika su generalno između 10 i 15%.
  Izduženje zavisi i od vrste legure, a i od njene termičke obrade.
• Titanijum doseže od 15 do 30%.

Izduženje i duktilnost su veoma važna svojstva i spominjaću ih kada budem pričao o pojedinačnim materijalima ramova u nastavku.
– sadržaj –

2.4. Zatezna (vlačna) čvrstoća (“snaga”)

Koliko je materijal jak. Generalno: što jači – to bolji. Ali mora se voditi računa i o drugim svojstvima (ne sme biti previše krt, na primer). Ova čvrstoća se meri tako što se materijal razvlači – te otuda i naziv. Tada se vidi pri kolikoj sili materijal doseže granicu tečenja (razvlačenja), kao i kolika je krajnja zatezna čvrstoća.
Moj primitivan test zatezne čvrstoće žbice prečnika 2 mm (na engleskom).

• Granica tečenja je napon nakog kojeg se u materijalu javljaju plastične deformacije.
  Napon je odnos sile i početne površine (Fe / S0).
• Zatezna čvrstoća je najveći napon koji materijal može da podnese (obično blizu tačke pucanja).

Vlačna čvrstoća se označava sa σ_M (R_M po aktuelnom standardu – prim. urednika) – a izražava se u megapaskalima (MPa).

• Legura aluminijuma 6061 ima zateznu čvrstoću od 310 MPa, a granicu tečenja od 270 MPa.
• Legura čelika 4130 ima zateznu čvrstoću od oko 560 MPa, a granicu tečenja od 460 MPa.
  Čelik je otprilike duplo jači od aluminijuma.
• Legura titanijuma 3AL-2.5V ima zateznu čvrstoću od 620 MPa, a granicu tečenja od 500 MPa.

Ovo je veoma važno svojstvo. Istina, ramovi bicikala su retko izloženi takvom razvlačenju u vožnji. Međutim, velika zatezna čvrstoća obično znači da materijal ima i veliku kompresivnu čvrstoću, krutost i duktilnost.
Znate li koji materijal za ramove bicikala je izuzetak od ovog pravila?
– sadržaj –

2.5. Dinamička čvrstoća – zamor materijala

Da bismo razumeli dinamičku čvrstoću, moramo prvo razumeti zamor materijala. Definicija zvuči strašno: zamor materijala je pojava postupnog oštećenja istog usled dugotrajnih periodičnih promjenjivih opterećenja (naprezanja).

Na srpskom: kada vozite po džombama, cevi rama se stalno (malo) savijaju, pa ispravljaju – i tako u krug. Važno je napomenuti da se ovde misli na elastične deformacije – tj. ne pričamo o silama koje su dovoljno jake da saviju/slome materijal iz prvog, ili 2-3 “pokušaja”. Oštećenja usled zamora materijala kreću na mikroskopskom nivou – tj. prvo se javljaju mikropukotine. One se vremenom polako šire, sa svakim narednim opterećenjem, sve dok ne postignu kritičnu veličinu/dužinu i materijal skroz pukne pri prvom narednom opterećenju. Kod metalnih ramova, ovo se ne oseti u vožnji dok ne puknu, ali se pukotine po pravilu vide spolja, kao tanke linije na ramu.

Kako ovo merimo? Uzmemo ram, stavimo ga u mašinu, i ona simulira stiskanje pedala sa oslanjanjem na korman. Onda vidimo posle koliko stotina hiljada siklusa se jave pukotine. Pošto se bicikl koristi na različite načine, i nisu svi putevi podjednako džombasti, niti svi vozači podjednako jaki, ovakvi testovi su veoma provizorni i teško mogu biti savršeno realistični – ali to je najbolje što se može.

Da stvar bude još zabavnija, čelik i titanijum imaju granicu, takvu da sve sile slabije od te granice mogu opterećivati materijal beskonačno mnogo puta, a da on ne pukne… nikada! Ova je granica zamora materijala (obično je između 0,35 i 0,6 puta vlačna čvrstoća).
Pre nego što pojurite istetovirati “steel is real” na listu noge, savetujem da pročitate članak do kraja.

Ostali metali (aluminijum, magnezijum) nemaju ovakvu granicu. Koliko god da je napor mali, posle dovoljno velikog broja ciklusa, materijal će pući. Međutim: ako se ram dobro isprojektuje, potrebno je više miliona ciklusa da bi pukao (oko 300 godina žešćeg bicikliranja).

Pri tome: što je sila jača, tj. bliža granici tečenja, to je manji broj ponavljanja potreban da materijal pukne. Ove karakteristike se prikazuju preko S-N krivih:

– sadržaj –

2.6. Žilavost

Koliko energije materijal može upiti, makar i uz plastične deformacije, pre nego što pukne.
Žilav materijal je više duktilan i pre će se deformisati, nego se rasprsnuti u komade. Žilavost je veoma važno svojstvo, a nije ga lako analizirati. Zahteva ravnotežu snage i duktilnosti.

Žilavost je suprotnost krutosti. Veoma krut materijal će se veoma malo deformisati pre pucanja – tj. ima malu žilavost. Isto važi i obrnuto, za materijale sa velikom žilavošću.

Za cevi rama bicikla je bolje ako se prvo deformišu pre pucanja, jer to služi kao upozorenje biciklisti da će popustiti. Zapamtite ovo. Vratiću se na to kad budem pričao o karbonskim ramovima.

Žilavost se meri obično preko testa šarpijevim klatnom, koji daje podatak o ukupno apsorbovanim kilodžulima (kJ) energije.
Zavisi od legure, a može se menjati različitim termičkim obradama.
– sadržaj –

2.7. Zaključak svojstava – otkrovenje

Ne postoji savršen materijal. Svaki ima prednosti i mane u odnosu na druge materijale.

Međutim, ako gledamo materijale od kojih se ramovi bicikala obično prave: od svakog materijala se može napraviti dobar ram, ali uz različite pristupe. Različiti materijali pucaju na različit način. Zahtevaju različite metode za obradu i spajanje. Imaju različitu nosivost, krutost, itd.

Sad ću pisati pojedinačno o svakom popularnom materijalu za ramove, objasniti specifičnosti, prednosti i mane.
– sadržaj –

3. Dizajn rama bicikla – osnove

Dotaknuću se teme dizajna rama, jer je važna za razumevanje upotrebe materijala. Akcenat je na snazi i težini konstrukcije.
Za pojašnjenje kako dimenzije i uglovi cevi rama utiču na vozne karakteristike, pogledajte članak: Geometrija Rama Bicikla.

Ako pogledate ramove bicikala, videćete da velika većina modela ima dva trougla u osnovi:

Preko sto godina iskustva pokazalo je da ovakva konstrukcija daje najveću moguću snagu, sa najtanjim (najlakšim) mogućim cevima. Barem kada je potrebno podneti težinu vozača, udare sa puta, snagu pedalanja i povlačenja kormana.

Važno je i znati da cev postaje puno jača i kruća kada joj se poveća prečnik – čak i ako se zidovi malo stanje. Ovo je osnovni princip za pravljenje ramova koji su lagani, a jaki. Povećanje prečnika puno više ojača i ukruti cev, nego što je stanjivanje zidova oslabi.

Uz jedno ograničenje: ako se zidovi cevi previše stanje, ona će postati lako “ulubljiva”, poput limenke piva, a i biće je praktično nemoguće variti (spajati sa drugim cevima).

Ovo je veoma skraćeno i uprošteno. Za više detalja na ovu temu pogledajte članak: Dizajn rama bicikla – objašnjen.
– sadržaj –

4. Baš Čelik

Čelik se koristi za izradu ramova bicikala puno duže od bilo kojeg drugog materijala. Predstavlja leguru gvožđa. Hemijski simbol gvožđa je Fe.

Prim urednka: na srpskom je tehnički ispravan izraz “železo.” Gvožđe je isto jedna od legura železa. U nastavku teksta – pod izrazom “gvožđe” misli se na “železo.”

• Metali i legure na bazi gvožđa nazivaju se i “crni metali.”
  Sadrže gvožđe, magnetni su, i skloni rđanju (traže sloj zaštitne farbe).
• Metali i legure na bazi drugih metala, poput aluminijuma, titanijuma i sl, nazivaju se “obojeni metali.”
  Ne sadrže gvožđe, nisu magnetni, niti skloni rđanju.

Nerđajući čelik bi se mogao ispravnije nazvati: puno sporije i puno teže rđajući čelik.
Obojeni metali isto oksidišu, tj. rđaju, ali se to završava formiranjem zaštitnog površinskog sloja oksida koji sprečava dalje rđanje. Uz napomenu da slana bljuzgavica zimskih kolovoza nagriza zaštitni oksid aluminijuma, tako da se alu-ramovi ne mogu smatrati otpornim na rđu zimi – potreban im je zaštitni sloj farbe.

Gvožđa ima mnogo u Zemljinoj kori (za razliku od hroma i molibdena), ali ne nalazi se u čistoj formi, već u obliku ruda kao što su: magnetit (Fe₃O₄), pirit (FeS₂), siderit (FeCO₃), hematit (Fe₂O₃), itd. Ovo se zovu rude gvožđa. Dobijanje čistog gvožđa, ili čelika iz ovih ruda je veoma komplikovan proces. Našim precima je trebalo više hiljada godina da to skontaju, nakon čega su počeli masovno prelaziti sa bronze na ovaj čarobni materijal.

Čelik? 24h bike-kitchen kaže:

• Zagreješ gvozdenu rudu da bude vrelija od Nataše Bekvalac.
• Oduzmeš nekoliko sastojaka.
• Dodaš nekoliko drugih sastojaka.
• I dobio/la si čelik! 🙂
  (veoma uprošteno rečeno, ali to je suština procesa)

U zavisnosti od tačnog sastava, dobijaju se različite legure. Legura čelika 4130 je među biciklistima poznatija kao “hrom-moli” i sadrži: oko 1% hroma, 0,8% mangana, 0,3% ugljenika, 0,3% molibdena, 0,2% silicijuma, i manje od 0,05% sumpora i fosfora. Preko 95% je čisto gvožđe.

Ova legura 4130 je poželjna za ramove bicikala jer se lako vari i oblikuje, a ima visoku duktilnost, žilavost i čvrstoću. U buduće ćemo je zvati CrMo, iako postoji više hrom-molibdenske legura osim 4130.
Tehnički ispravna oznaka ovog čelika je “AISI 4130,” ili, po evropskom označavanju “25 CrMo4.”

Za razliku od nje, legura AISI 1020, poznata i kao “običan ugljični čelik” je dosta slabija i sreće se na jeftinijim ramovima.
– sadržaj –

4.1. Konvencije za označavanje legura čelika

Standarde za označavanje legura čelika definisali su Američki Institut Gvožđa & Čelika (AISI – eng. American Iron & Steel Institute) i američko Udruženje Automobilskih Inženjera (SAE – eng. Society of Automotive Engineers).

• Oznake sadrže od 3 do 5 cifara.
• Prva cifra označava vrstu čelika.
• Druga cifra označava različite ključne elemente u zavisnosti od legure.
  Na primer, kod legure 4130 cifre označavaju da ima 1% hroma i 0,3% molibdena.
• Poslednje dve cifre označavaju procenat ugljenika izražen u stotim delovima procenta.
  Na primer: legura 1020 ima 0,2% ugljenika.

Tabele 1 i 2 detaljnije objašnjavaju ovo, koga zanima. Više informativno – nije ključno za razumevanje daljeg teksta. Tako da koga ovo ne zanima, može slobodno preskočiti tabele.

Kraj tabela, nastavak priče. 🙂
– sadržaj –

4.2. Čelik kao materijal za ram bicikla

Objasnio sam već da ne postoji savršen materijal. Dok objašnjavam čelik, porediću ga sa drugim metalima popularnim za pravljenje ramova: aluminijumom i titanijumom.
Da bi ovo bilo kraće i jasnije, poređenja sa karbonom i ostalim “egzotičnim” materijalima ću praviti kada budem pričao o tim materijalima.

Uporedimo čelik sa drugim materijalima, na osnovu svojstava definisanih u 2. poglavlju:

Gustina
Ovo je glavna mana čelika. Sa 7.85 g/cm³, čelik je triput teži od aluminijuma, a duplo teži od titanijuma.
Da je gustina jedino važno svojstvo, niko živi ne bi pravio ramove od čelika. Na sreću (ili na žalost) nije toliko jednostavno. Postoje i druga svojstva koja su veoma važna za materijale ramova bicikala, po kojima čelik blista – poput sledećeg:

Krutost
“Šta je bilo, Aluminijume i Titanijume?! Ćutimo, a?” 🙂
Jungov modulus čelika je oko 200 GPa. Otprilike je triput krući od aluminijuma, a duplo krući od titanijuma.

Ovo se poklapa sa odnosom gustina ova tri materijala, tako da je odnos krutosti-spram-težine gotovo identičan za sva tri materijala.

Kako su onda aluminijumski ramovi po pravilu lakši za oko 30% od uporedivih čeličnih, a često krući?
O ovome sam detaljnije pisao u članku o dizajnu ramova, u poglavlju: “Cevi – snaga i težina.”, a ovde ću samo ukratko objasniti.
Poslužiću se primerom da ovo objasnim:

• Uzmimo cev prečnika d1, i duplo deblju prečnika d2. I recimo da su im iste debljine zidova.
• d2 će biti okvirno duplo teža od d1, ali i oko 8 puta kruća! Krutost raste eksponencijalno sa porastom prečnika – na treći stepen.
  (d2-d1)³
• Ako sad stanjimo zidove cevi d2 upola, ona će biti okvirno iste težine kao d1. Šta je sa krutošću? Krutost će i dalje biti barem 4 puta veća. To je smanjenje krutosti sa 8 puta, na “samo” 4 puta više, što i nije tako loše – za istu težinu.

Tako se dizajneri ramova igraju sa prečnikom i debljinom zidova – do određene granice. Kada odnos prečnika i debljine zidova cevi pređe 70-naprema-1, cev postaje previše osetljiva na ulubljenja – poput limenke piva. Takođe, neophodna je izvesna debljina zidova za spajanje i varenje.

Pošto je čelik triput teži od aluminijuma, aluminijumska cev može imati duplo deblje zidove u odnosu na čeličnu cev istog prečnika, a da i dalje bude za oko 30% lakša! Ovo omogućava aluminijumskim cevima da budu puno većeg prečnika i puno kruće od čeličnih – a da su i dalje dovoljno otporne na ulubljivanje, a pritom još i nešto lakše.

Titanijum? On je tu negde između čelika i aluminijuma – po gustini i po krutosti – što se odražava i na dizajn cevi.

Nadam se da sam ovo dobro objasnio. Samo polako – ako treba, pročitajte ponovo primer iznad. Manje je komplikovano nego što zvuči, a u tome je suština.

Izduženje – duktilnost
Kod čeličnih cevi koje se obično koriste za ramove bicikala ovo varira između 9 i 15 procenata (25% za našu CrMo leguru), u zavisnosti od vrste legure i njene termičke obrate.

Što je ova vrednost manja, to je veća verovatnoća da je taj materijal krt. Ako je ova vrednost ispod 10 %, reč je o materijalu koji treba podrobnije analizirati: proveriti dinamičku cvrstoću i žilavost – kako bi se utvrdilo da materijal, sveukupno gledano, nije previše krt za pravljenje rama bicikla.
Test šarpijevim klatnom je verovatno pogodan za ovo, ali ima i drugih načina testiranja – izbor zavisi od konkretnog materijala. Izduženje se može dobiti ispitivanjem zatezanjem, iz napona tečenja i zatezne čvrstoće.

Zatezna čvrstoća
Postoje velike razlike u zateznoj čvrstoći, čak i između različitih legura čelika (da ne spominjem druge metale). Generalno govoreći, legure čelika su više nego duplo čvršće od aluminijumskih. Pri tome, postoje legure čelika koje su jače od popularne CrMo (sa 560 MPa), ali se ne koriste za izradu ramova bicikala zbog nekih drugih svojih mana.

Da, možemo reći da je čelik dosta jak, ali kao što ga njegova težina ne isključuje kao izbor za materijal ramova bicikla, tako ga ni njegova čvrstoća, sama po sebi, ne čini idealnim. Više o tome u poglavlju 4.3. Šira slika.

Dinamička čvrstoća
Čelik ima granicu zamora materijala. To znači: ako isprojektujete ram tako da mu maksimalna opterećenja budu ispod određenog nivoa (u odnosu na zateznu čvrstoću) – on će trajati beskonačno dugo! 🙂

Popravke
Dosta majstora širom sveta zna dobro zavariti čelik. Ako vam zatreba hitna popravka (putovanje svetom biciklom i sl.), čelik je među najzahvalnijim materijalima.
– sadržaj –

4.3. Šira slika

Jesam li u ovom poglavlju uspeo preneti koliko je važno sagledati sve osobine materijala, ukupno? Ljudi (pogotovo oni iz odeljenja za marketing 🙂 ) često “skoče” kad vide neko super svojstvo određenog materijala (super jak, super lagan i sl.) i pomisle: “JAAAO, moramo sve ramove praviti samo od ovog materijala, fenomenalaaan je!” Da bi materijal bio pogodan za ramove bicikala, mora imati pravi odnos više različitih svojstava. Uz ovde navedena svojstva, važni su i cena i dostupnost. Ne zaboravimo i lakoću obrade i spajanja (bilo varenjem, ili lepljenjem, kao što je slučaj kod karbona).

Od svih materijala, čelik je ubedljivo najduže u upotrebi za ramove bicikala. Preživeo je “nasrtaje” aluminijuma krajem XX i početkom XXI veka, a sada je pod još jačim udarom karbona.
– sadržaj –

4.4. Čelični ramovi – razbijanje mitova

Čelični ramovi važe za večne (“neuništive”), veoma udobne, ali teške. Kako sam pokušao objasniti u prethodnim sekcijama, ovo zavisi od izbora konkretne legure čelika, i od dizajna rama (promeri cevi, debljine zidova itd.).

Jeste, čelik ima granicu zamora materijala, pa je moguće napraviti ram da se dosta uvija, a da ne pukne – ali preko određene granice, uvijanje ometa upravljivost i kontrolu bicikla, i upija energiju pedalanja – što ne želimo od dobrog rama.

Vozio sam neke veoma neudobne čelične ramove. Čelični ramovi visoke klase nisu lakši od aluminijumskih ramova visoke klase, ali su i dalje iznenađujuće laki – blizu su. Loše dizajnirani ramovi mogu pući, čak i ako su čelični.

Još jedan mit je da čelični ramovi postaju mekši, fleksibilniji sa godinama – ili da se “umrtve,” tj. postanu krti i kruti. Podsetite se priče o krutosti i Jungovom modulusu. Ne menja se i tačka.
Tehnički, čelični ram može postati krtiji (ako se ne dizajnira/proizvede kako treba), ali to neće uticati na njegovu krutost – Jungov modulus se ne menja. Može i pući na kraju, ali bez da postane osetno krući pre toga.
– sadržaj –

5. Aluminijum

U prethodnom poglavlju sam često koristio upravo aluminijum za poređenja, tako da se može reći da već dosta znamo i o njemu. Ipak, zbog pisama čitalaca, napisaću još malo o ovom popularnom materijalu (šalim se, niko ovo ne čita… ozbiljno).

Godina je 1983: muškarci su muškarci, žene su žene, a Cannondale počinje masovnije praviti dosta dobre drumske bicikle od aluminijuma. Oko 20 godina kasnije, aluminijum postaje najmasovnije korišten materijal za ramove bicikala više klase – sve do pojave karbona, ali o tome nešto kasnije.
– sadržaj –

5.1. Obrada aluminijuma i njegovih legura

Aluminijum je najrasprostranjeniji metal u Zemljinoj kori. Dobija se iz rude boksita. Postupak prečišćavanja i dobijanja aluminijuma iz pomenute rude je relativno skup, tako da aluminijum nije previše jeftin, iako ga ima puno. Sve počinje dosta komplikovanom termalno-hemijskim procesom zvanim Bajerov proces (hemičari i mašinci kažu da je za njegovo razumevanje potrebno piti puno Bajerovog aspirina – toliko glavobolje zadaje), a završava se nekom vrstom elektrolize (ako mislite da vam je račun za struju velik, svratite do svog obližnjeg proizvođača aluminijuma 🙂 ).

Konkretan izbor početnog procesa zavisi od vrste legure, i izbora naknadne faze procesa proizvodnje (na koji isto utiče vrsta legure). Tu praktično postoje dva izbora:

• Liveni aluminijum
  Uprošteno objašnjeno: aluminijum se topi i izliva u kalup, bilo u konačni oblik proizvoda, ili u aluminijumsku gredu (u suštini veliku, debelu šipku).
• Kovani aluminijum
  Topljeni aluminijum se izliva u kalup, a onda se valja, kuje, ili ekstrudira, da se dobije željeni oblik.

Svaki od ovih procesa ima prednosti i mana. Bez ulaženja u detalje: kovani aluminijum je nešto skuplji, ali generalno pogodniji za pravljenje ramova (ima bolja mehanička svojstva, strukturni integritet itd.).

Bilo da se radi o livenom, ili kovanom aluminijumu, uglavnom se dodatno kale:

• Termička obrada
  Gotov ram se greje na nekih 500 °C, nekoliko sati. Onda se kali – hlađenjem na vazduhu, ili u vodi, u zavisnosti od legure. Zatim ide starenje.
• Starenje (precipitacijsko očvršćivanje)
  Može se raditi na sobnoj temperaturi, ali kod aluminijuma to ide puno brže ako se radi u peći. Samo što umesto Vegete, dodate legirajuće elemente, i držite to na 150 °C nekih dva ipo dana (zato s ovim ne počinjite dan pre Božića 🙂 ). Kada se radi na povišenoj temperaturi, to se zove “veštačko starenje.”
• Radno kaljenje (očvršćivanje sojem, hladno kaljenje)
  Često se radi na sobnoj temperaturi, korištenjem grube sile: valjanjem, izvlačenjem, ispravljanjem, ili ravnanjem materijala.
  Livene legure se generalno ne kale radnim kalenjem.

Neke legure se moraju kaliti nakon što se cevi izvare. Legura 6061 traži termičku obradu nakon varenja, kako materijal ne bi bio preslab (i pucao). Legura 7005 ne traži termičku obradu, ali traži starenje nakon varenja.
– sadržaj –

5.2. Konvencije za označavanje legura aluminijuma

Legure aluminijuma se različito označavaju, u zavisnosti od toga jesu li livene, ili kovane. U oba slučaja, na kraju se dodaje još jedna oznaka koja označava vrstu kaljenja (videti tabelu 5).

Označavanje legura livenog aluminijuma
Koriste se tri cifre, sa četvrtom iza tačke (xxx.x).
Prva cifra (Xxxx.x) označava glavni element dodat u leguru (tabela 3 ispod).
Druga i treća cifra (xXX.x) su arbitrarno izabrane za označavanje pojedinačnih legura iz serije.
Cifra iza tačke označava: 0 – odlivak, 1 ili 2 – šipka.
Veliko slovo ispred oznake označava modifikaciju date legure, npr: A356.0

Označavanje legura kovanog aluminijuma
Tehnički ispravan naziv je “legure za plastičnu obradu,” od kojih je kovanje samo jedna od mnogih – prim. uredinka.
Koriste se četiri cifre.
Prva cifra (Xxxx) označava glavni element dodat u leguru (tabela 4 ispod).
Druga cifra (xXxx), ako nije nula, označava modifikaciju date legure.
Treća i četvrta cifra (xxXX) su arbitrarno izabrane za označavanje pojedinačnih legura iz serije.
Izuzetak je serija čistog aluminijuma (1xxx), gde poslednje dve cifre označavaju koliko delova jednog procenta preko 99% aluminijuma ima u leguri. Da bude jasnije s primerom: 1350 ima najmanje 99,50 % aluminijuma.

Oznake za vrstu kaljenja
Označava se velikim slovom, praćenim sa jednom do četiri cifre.
Slovo označava vrstu kaljenja.
Brojke označavaju vrstu procedure.

– sadržaj –

5.3. Aluminijum kao materijal za ram bicikla

Koje su prednosti i mane korištenja aluminijuma za pravljenje ramova bicikala? Pogledajmo njegova svojstva.

Gustina
Sa 2,7 g/cm³, teži svega 1/3 težine čelika! To je odličan početak za aluminijum, ali šta je sa drugim važnim svojstvima?

Krutost
Jungov modulus aluminijuma je oko 70 GPa, što je svega 1/3 krutosti čelika. Sad, već znamo da sa porastom prečnika cevi, njena krutost raste eksponencijalno. Aluminijum je dosta lagan, pa omogućava pravljenje cevi velikog prečnika, sa zidovima dovoljno debelim da se ne ulube lako, a da one i dalje budu dosta lagane. Na taj način dobija se potrebna krutost aluminijumskog rama.

Čak je i rasprostranjen mit kako su alu-ramovi kruti, neudobni! To zavisi od modela i dizajna. Istina je da se alu cevi ne smeju previše uvijati, kako ne bi pukle usled zamora materijala, ali ne znači da obavezno moraju biti previše krute. To zavisi od dužina cevi, njihovog prečnika, debljine zidova, tj. od celokupnog dizajna rama.

Sledeći izazov?

Izduženje – duktilnost
Koliko se aluminijum može istegnuti, ili saviti, pre nego što pukne? Ni blizu koliko čelik! 6 do 12 % je baš malo, u poređenju sa 10 do 25% za čelične legure.

S tim na umu, u prethodnim poglavljima sam objasnio koliko je važno sagledati sva svojstva materijala. Ako je izduženje malo, treba proveriti i njegovu čvrstoću, dinamičku čvrstoću i žilavost. Za sad toliko, ali vratićemo se na ovo do kraja poglavlja.

Zatezna čvrstoća
Zatezna čvrstoća aluminijumskih legura je oko 300 MPa, što je otprilike upola slabije od čelika, ali to se da nadomestiti cevima većeg prečnika, i širim zidovima. Setite se: još uvek teži samo 1/3 težine čelika.

Dinamička čvrstoća – zamor materijala
Aluminijum je i ovde u problemu – nema granicu zamora materijala. Koliko god da je malo opterećenje, posle određenog, konačnog broja ponavljanja, aluminijum će pući. Šta, sad imamo probleme sa izdržljivošću, povrh problema sa izduženjem!? Kako to rešiti?

Dobar inženjering, tj. projektovanje. Pored igranja sa prečnikom cevi i debljinom zidova, postoje i tanjene cevi. Evo grube skice istih:

Moguće je dodati više materijala na mestima koja su više izložena stresu – obično sami krajevi cevi, blizu mesta gde se spajaju sa drugim cevima. Ovim se stavlja više težine samo na mestima gde je kritično. Na ovaj način se i opterećenja mogu preneti duž cevi na njene delove koji su manje opterećeni/kritični.

Iskorištavanje prednosti
Dizajneri alu-ramova imaju još jednog keca u rukavu: malu gustinu (“težinu”). Tako da se, uz cevi većeg prečnika, sa zidovima podebljanim gde treba, može dobiti cev koja ima do tri puta veću statičku nosivost u odnosu na cev sličnog čeličnog rama. I to tako da alu-ram još uvek bude za oko 30% lakši!

Sa ovolikom “sigurnosnom marginom, aluminijumski ram će i dalje imati ograničen vek trajanja, ali to ograničenje može biti oko 500 godina aktivnog bicikliranja, što i nije tako loše?

Popravke
Aluminijumski ramovi se po pravilu moraju termički obraditi nakon zavarivanja (celi). Puno manji broj majstora i radionica zna dobro variti aluminijum, u odnosu na čelik.

Završne napomene
Za malo da zaboravim: još jedna od prednosti aluminijuma je to što ne rđa u dodiru sa vodom i vazduhom. Da budem precizniji: kad ogulite farbu na aluminijumskom ramu, brzo se formira tanak spoljni sloj oksida, koji štiti materijal od dalje, dublje oksidacije – što kod čelika nije slučaj, čak i nerđajući čelik rđa (samo puno teže i sporije).
Za nas koji bicikl vozimo zimi: slana bljuzgavica, koje bude puno na zimskim putevima, poješće aluminijum ako nije zaštićen slojem farbe (za više detalja vidite treći paragraf u poglavlju “4. Baš čelik“).
Još jedan od problema sa luminijum je galvanska korozija. Javlja se u kontaktu aluminijuma sa čelikom, od kojeg se pravi većina šrafova, pa i na biciklu. Korištenje montažnih pasti može ovo sprečiti.
– sadržaj –

5.4. Aluminijumski ramovi – razbijanje mitova

“Lagani, ali neudobni” – to ćete često čuti za alu-ramove. Tačno je da aluminijum nema granicu zamora materijala, pa se alu-ramovi moraju dizajnirati tako da se ne uvijaju previše, kako ne bi pucali. Ipak, moguće je isprojektovati ram tako da se uvija na delovima cevi koji su manje kritični: tanjenjem zidova cevi pri sredini, sa a debljim zidovima pri krajevima.

Tako da nisu baš svi aluminijumski ramovi previše kruti – to zavisi od dizajna. Mnogi jesu, pošto je takve ramove lakše dizajnirati i proizvesti, ali nije aluminijum kriv za to.

“Traju samo 5 godina,” ili neki drugi proizvoljni broj. Pročitajte ponovo prethodno poglavlje (5.3.) da shvatite zbog čega je ovo besmislica. Loše dizajniran ram može pući i posle godinu dana, ali dobar može trajati duže nego biciklista.
– sadržaj –

6. Titanijum

Samo ime zvuči nekako moćno i posebno – počinje rečju: “TITAN!” 🙂

Titanijuma ima dosta u Zemljinoj kori, ali je proces dobijanja istog iz rude u kojoj se nalazi dosta skup – što utiče na prilično visoku cenu ovog materijala. Cenu na stranu: titanijum izgleda prelepo, sjajne srebrne boje, i ne rđa (da nije tako skup, bio bi super rešenje za zimski bajs).

Za pravljenje ramova bicikala, obično se koriste legure titanijuma 3AL-2.5V, ili 6AL-4V.
Koristim veliko “L” zbog jasnoće, pravilno označavanje je malim slovom – koje liči na veliko “i.” “3Al” označava 3 % aluminijuma, a 2.5V označava 2,5 % vanadijuma.

U nastavku ću objasniti kakva su svojstva titanijuma i koje su mu prednosti i mane kada je izrada ramova bicikala u pitanju.
– sadržaj –

6.1. Titanijum kao materijal za ram bicikla

Kao i kod priče o čeliku, i aluminijumu, sagledaćemo više bitnih osobina – počevši sa:

Gustina
U crvenom uglu, težak 4,48 g/cm³ – titanijum! 🙂 Jeste skoro duplo teži od aluminijuma, ali je i dalje gotovo upola lakši od čelika.

Krutost
Jungov modulus titanijuma je oko 100 GPa, dakle upola slabiji od čelika. Ali! Pošto je i upola lakši, njegov odnos krutosti-spram-težine je veoma sličan.

Izduženje – duktilnost
Po ovom pitanju titanijum blista – njegovo izduženje ide i do 30%, što je duplo bolje od većine čeličnih legura, a oko tri puta bolje od većine aluminijumskih. Titanijum može baš dosta da se savije pre nego što pukne!

Doduše, legure koje se obično koriste za bicikle su upola manje fleksibilne, ali to je i dalje odlično, pogotovo kada se uzme u obzir naredno svojstvo:

Zatezna čvrstoća
Legura titanijuma 3AL-2.5V ima zateznu čvrstoću od 620 MPa. Kao zaposlena samohrana majka troje dece: jači od čelika!

Važno je znati da se ova snaga postiže uz dobro izduženje. Čelične i aluminijumske legure koje su približno toliko jake su veoma, veoma krte – što nije dobro za ram bicikla.

Dinamička čvrstoća
Poput čelika, titianijum ima granicu izdržljivosti. Ako isprojektujete ram tako da mu maksimalna opterećenja budu ispod određenog nivoa (u odnosu na zateznu čvrstoću) – on će trajati neograničeno.

Ako bismo ovde stali, možda bi neko poverovao da je titanijum savršen materijal. Ovo se dosta zloupotrebljava u marketingu – koji god materijal bio u pitanju. Nabrojiš prednosti i tu staneš. Ništa nisi slagao… tehnički.

Mračna strana titanijuma
Objasnio sam već koliko je važno sagledati sve osobine materijala – u celosti. Koje su mane titanijuma?

Prvo ono što sam već spominjao: veoma visoka cena. Skupi su i dobijanje titanijuma iz rude, a i njegova obrada.

Titanijum se teško vari i obrađuje. I najmanja nesavršenost procesa varenja dovodi do pucanja na varovima. Obrada titanijuma traži puno znanja, iskustva i dobre mašine – inače je muka.

Ako za čelik kažemo da muči muku sa težinom, aluminijum sa čvrstoćom, onda titanijum kuburi sa krutošću. Preciznije: titanijum ima relativno mali iznos krutosti spram težine. Većim promerom cevi dobija se i veća krutoća, ali i težina. Tanjenje zidova smanjuje težinu, ali ako su pretanki, ram će se prelako ulubiti, pa onda pući. Aluminijum koji je upola lakši može “sebi priuštiti” veći promer cevi uz nešto deblje zidove. Kod titanijuma, dovoljno debeli zidovi na kraju budu previše teški.

Način da se ovaj problem reši je tanjenje zidova cevi pri sredini, uz deblje zidove pri krajevima (kao i kod čelika i aluminijuma). Uprkos ovome, titanijumski ramovi više klase nisu uvek lakši od čeličnih ramova više klase.

Popravke
Koliko znam, retko koji servis ima alat, veštinu i znanje za varenje titanijumskih ramova. Ako vam zatreba popravka na pola puta… sretno. 🙁
– sadržaj –

6.2. Titanijumski ramovi – razbijanje mitova

Za titanijumske ramove ćete često čuti jednu, ili više sledećih tvrdnji: lakši su od čelika, jači su od čelika, daju udobniju vožnju (“kao na čarobnom ćilimu”). Od svega ovoga, istina je praktično samo da se titanijumski ram može napraviti da bude lakši i savitljiviji (“udobniji”) od čeličnog, ali po cenu da bude prilično slab i uvija se previše i prilikom snažnijeg pedalanja.
– sadržaj –

7. Karbonska vlakna

Pre priče o ramovima, prvo malo teorije.
– sadržaj –

7.1. Kompozitni materijali

Karbonski ramovi se često reklamiraju kao “kompozitni.” To je pomalo nalik reklamiranju čeličnih, aluminijumskih, ili titanijumskih ramova kao: “metalnih.”

Šta su to kompozitni materijali?

A: To je materijal napravljen kombinovanjem barem dva različita materijala, obično sa različitim fizičkim i hemijskim svojstvima, koji u kombinaciji daju materijal koji je bolji od bilo kojeg od tih materijala pojedinačno (inače ih ne bismo kombinovali).
B: Za razliku od smeša, rastvora i legura, kombinovani materijali ostaju neizmenjeni.

Na srpskom:
A: Kad izlijete beton preko čeličnog kaveza, dobijete kompozitni materijal poznat kao: “armirani beton.” Taj materijal je puno jači od “običnog” betona (kad je reč o zateznoj čvrstoći), a lakši i brži za zidanje od korištenja čelika.
B: Ako uzmete jaču štemalicu, ili veći čekić, moći ćete (uz dovoljno vremena i muke) razlupati sav beton i osloboditi čelični kavez.

Šta su to napredni kompozitni materijali?

To su materijali sa vlaknima koja imaju izuzetnu snagu, i izuzetnu krutost, a uvezana su slabijom matricom.
Vlakna mogu biti od: silicijum-karbida, kvarca, keramike, polietilena, bora, Kevlara (aramida), ili ugljenika – tj. karbona!

Rečnik izraza koje ću koristiti u nastavku:
Vlakno – pojedinačna nit armaturnog materijala.
Puno paralelnih vlakana se povezuje lepkom, ili matricom.
Sloj – pod ovim mislim na jedan sloj ovako povezanih vlakana.
Laminat – više slojeva položenih jedni preko drugih.

Slojevi se mogu slagati sa različitim uglovima, kako bi se dobio laminat željenih svojstava. Tj. vlakna jednog sloja mogu biti paralelna sa vlaknima susednog, ili pod određenim uglom (45° na primer).

Drugim rečima: u zavisnosti od toga kako se slojevi poslažu u laminat, on će imati različita svojstva – čak i ako se koriste isti slojevi (istih vlakana), ako se pravi isti oblik, iste težine i debljine zidova. Promenom načina slaganja slojeva može se promeniti i krutost, ali i naprezanje loma i način otkaza. Ovo znanje će nam trebati u nastavku.
– sadržaj –

7.2. Karbonska vlakna kao materijal za ram bicikla

Kao i kod priče o metalima, počeću navođenjem svojstava. Prvo “ogromna ograda:” u prethodnom poglavlju (7.1.) sam objasnio kako način slaganja slojeva utiče na svojstva laminata. Uz to, za pravljenje “karbonskih ramova” koriste se različite vrste vlakana, lepljene različitim vrstama lepka (najčešće epoksi-smole). Takođe, kada pričam o slaganju slojeva, to je veoma uprošteno radi lakšeg razumevanja. Tako da su sve vrednosti ovde date veoma provizorno, čisto orijentaciono.

Gustina
Oko 1,55 g/cm³ – skoro upola lakše od aluminijuma, kao najlakšeg među do sada pomenutim metalima.

Krutost
Titanijum ima Jungov modulus od oko 130 GPa. Od do sada pomenutih metala, samo čelik je krući. Zbog puno manje gustine, odnos krutosti-spram-težine mu je tri puta bolji u odnosu na čelik.

Međutim, ako sloj zarotiramo tako da na vlakna delujemo poprečno – dobijamo svega 10 GPa!
Da stvari budu još gore, Jungov modulus je solidan samo u rasponu od 0 do 30°. Onda drastično opada čim pređemo ugao od 30°, dajući veoma niske vrednosti u rasponu od 30 do 90°.

Ramovi bicikala trpe i uzdužna i torziona opterećenja. Da bi prevazišli ovaj problem, proizvođači karbonskih ramova obično slažu slojeve tako da vlakna budu urkštena – obično dodajući slojeve pod uglom od 45°, osnovnim slojevima sa “uglom vlakana” od 0°, kako bi napravili “univerzalniji” laminat.

Izduženje – duktilnost
Izduženje (mera duktilnosti materijala) je poput neke vrste sigurnosne barijere. Ako je malo, moraju se veoma detaljno sagledati sva ostala svojstva materijala, kako bismo bili sigurni da nije previše krt za pravljenje rama bicikla. Kod karbona – izduženje je veoma, veoma malo – ispod 2 %. Izraz “Ahilova peta” mi pada na pamet. Gori je i od aluminijuma!

Već pominjano: slojevi se mogu slagati tako da ugao vlakana jednog budu pod uglom od 45° u odnosu na vlakna susednog sloja. Na ovaj način se situacija donekle popravlja, ali i dalje je karbon materijal koji ima dosta slabu duktilnost.

Slično kao kod aluminijuma, ovaj problem se rešava pravljenjem konstrukcije koja je puno jača nego što je neophodno – tj. kreiranjem određene sigurnosne margine. Karbon je dovoljno lagan da i takav ram, jači i teži nego što je apsolutno neophodno, i dalje bude dosta lagan.

Zatezna čvrstoća
Karbon ima fenomenalnu zateznu čvrstoću od oko 2.500 MPa – što je oko pet puta jače od čelika – ali samo ako vlakna povlačite uzdužno, što je velik izazov pri dizajniranju i odlučivanju u kom smeru vlakana će se slagati slojevi.

Kompresivna čvrstoća
Kod metala nisam pričao o ovom svojstvu, jer kod njih je zatezna čvrstoća odličan pokazatelj kompresivne čvrstoće. Ali ne i kod karbona. Karbonska vlakna su više nalik žbicama točka bicikla: odlično podnose zatezanje, ali ako ih sabijate, lako će se saviti.

Ovde je od ključnog značaja epoksi-smola, koja služi i za spajanje karbonskih vlakana, i za davanje kompresivne čvrstoće celoj konstrukciji.

Dinamička čvrstoća
Još jedna paralela sa aluminijumom: karbon nema granicu zamora materijala, pa se mora pribeći pravljenju rama da bude jači nego što je neophodno, kako do zamora ne bi došlo u nekom razumnom roku. Koliko dugo? Pričaćemo o tome malo kasnije.

Karbon – DOBRO
Kod pojektovanja cevi rama od nekog metala, odnosno ne-kompozitnog materijala, možemo se igrati sa oblikom, debljinom zidova i prečnikom cevi. Kod karbona, pored svega toga, možemo se igrati i sa pravcima i uglovima vlakana u svakom sloju, efektivno menjajući svojstva materijala kako nama odgovara.

Ako treba da se podsetite, pročitajte pasuse o krutosti iznad. Karbon može omogućiti da ram bude “uzdužno krut, a vertikalno savitljiv,” tj. da pristojno upija džombe, a da se ne uvija previše pri snažnom pedalanju, i da je lepo upravljiv.

Pri tome može biti veoma lagan, a pristojno dugotrajan. Sada bih još dodao da je karbon materijal budućnosti, ali – to je već stiglo! 🙂

Karbon – LOŠE
Više slobode znači i više odgovornosti. Dizajneri karbonskih ramova moraju znati tačno šta rade. Broj slojeva, ugao vlakana, izbor vrste vlakana i epoksi-smole drastično utiču na to kako materijal podnosi opterećenja – i to u u zavisnosti od pravca u kojem opterećenje deluje! Nije uniforman materijal, kao gore opisani metali! Pri tome, opterećenja rama bicikla u vožnji i praksi deluju iz najrazličitijih pravaca – ima i tenzije i kompresije i torzije.

Slaganje slojeva mora se raditi polako, pažljivo – ručno. Što drastično podiže cenu proizvodnje, a i povećava verovatnoću da ljudska greška napravi problem (“kad si gladan, nisi sav svoj!”). Tako da je karbon dosta skup, i sa promenljivim kvalitetom proizvodnje.

Karbon – ZLO
Ako napravite ram koristeći neki od gore opisanih metala, i ako počne pucati, pukotine će uvek biti vidljive spolja, dosta pre nego što ram popusti.
Uz to, pukotina će se desiti na jednom delu cevi, ili na jednom varu, tako da čak i ako ignorišete pojavu pukotina i vozite dok ram ne popusti, visoka je verovatnoća da ćete stići barem da se bezbedno zaustavite (OK, ako pukne viljuška u krivni, na strmoj nizbrdici – verovatno da nećete, ali razumete šta hoću reći?).

Kod karbona je sve drugačije. Da vidimo prvo kako sve karbon može popustiti. Postoje četiri osnovna načina, od kojih jedan ne isključuje ostale:

• Pucanje vlakana.
• Odlepljivanje pojedinačnih vlakana od epoksi-smole.
• Delaminacija – tj. odlepljivanje jednog sloja (ili više slojeva) od drugog.
• Pukotine u matrici – tj. degradacija epoksi-smole koja drži vlakna na okupu i daje kompresivnu čvrstoću konstrukciji.

Šta može izazvati ove probleme?

• Snažan udarac kamena o ram, pri vožnji, može ostaviti minimalan trag spolja, ali dovesti do oštećenja laminata. Kod metala – ako nema vidnog ulubljenja, ili “zasekline”, sve je OK – ali ne i kod karbona.
• Greška u proizvodnji, kao što je neistiskivanje svog vazduha zarobljenog između slojeva, što vremenom dovodi do pukotina u matrici. Ili zgužvani slojevi.
• Galvanska korozija. Karbon reaguje sa metalima na ovaj način, a većina ramova ima neki metalni deo u sebi – makar prihvate šrafova držača bidona, ako ništa drugo.
• Oštećenja farbe, koja omogućavaju UV zracima da razgrade epoksi-smolu. Ili vodi da prodre, pa da vlaga vremenom dovede do delaminacije.
• Loš dizajn – ako se ne napravi dovoljno “sigurnosne margine”. Videti gore pod “Izduženje – duktilnost” i “Dinamička čvrstoća.”

Ovo sve ne bi bilo tako strašno da nije sledeće činjenice:

Slabljenje se najčešće dešava iznutra, tj. nevidljivo spolja. Širi se duž velike površine materijala. Kada na kraju popusti, karbon popusti katastrofalno, potpuno, iznenada. Ovaj način otkaza je velik problem.

Postoji li način da se ovo predvidi? Internet je pun saveta za ovo. Poput kuckanja novčićem po ramu i osluškivanjem za promenu visine tona. Ipak, jedini zaista pouzdan način je rendgensko, ili ultrazvučno skeniranje. Ovo nije jeftino!

Koliko često treba raditi ovo skeniranje?
Zbog mogućih grešaka u proizvodnji – odmah nakon kupovine, bilo kakvog karbonskog dela. Koliko znam, čak ni veoma skupi ramovi, vrhunskih proizvođača, ne budu uvek skenirani pre prodaje – pogotovo ne svaki.

Jak udarac, ili pad? Jedini siguran način da se utvrdi stanje je opet skeniranje.

Da ne bude zabune: karbonski ramovi su često iznenađujuće jaki i izdržljivi, a ipak lagani. Razlog za skeniranje je njihov način otkaza – iznenadan i potpun.

Još jedna napomena. Kada bi se napravio karbonski ram koji nije puno lakši od aluminijumskog, na primer, taj ram bi mogao biti izuzetno jak i dugotrajan (ako ga dizajnirate i proizvedete kako treba). Međutim, ono što se dobro prodaje su super-lagani ramovi. Proizvođači često idu sa manjim bezbednosnim marginama, kako bi smanjili težinu.

Uz to, ako danas odete i kupite drumski bicikl više klase, sa aluminijumskim ramom, najverovatnije će mu viljuška biti karbonska – sviđalo se to vama, ili ne.

Ne želim da zvučim kao neki paničar. I zaista bih voleo da sad mogu reći: “kupujte karbonske ramove renomiranih proizvođača i ne brinite.” Ali koliko ja znam, to ne bi bilo istina reći.

Popravke
Zbog načina otkaza, karbon je dosta rizično zakrpiti bez skeniranja, radi preciznijeg utvrđivanja obima i vrste oštećenja. Ovo nije nešto što se može uraditi na brzinu, usput.
– sadržaj –

7.3. Karbonski ramovi – razbijanje mitova

“Najbolji su, samo skupi” je ono što mnogi biciklisti misle o karbonskim ramovima. Kako sam pokušao objasniti ovde, kvalitetan ram koji je lagan, udoban i upravljiv, može se napraviti od više različitih materijala. Karbon je fenomenalan, ali i on ima mana, uz sve svoje prednosti.
– sadržaj –

8. Zaključak – mišljenje autora

Svaki materijal za ram ima svojih prednosti i mana. Dobar dizajn može izvući ono najbolje što materijal može da pruži, uz (delimično) prevazilaženje njegovih mana.

Prodavci često navode samo dobre strane materijala, a bez sagledavanja sveukupne slike, ne može se steći objektivan utisak o tome koliko je neki ram dobar, ili loš. Nemojte izvlačiti zaključke na osnovu polovičnih informacija, ili čak nakon probanja jednog, ili više loših ramova.

Dobar ram, koji je dosta lagan i veoma dugotrajan, se može napraviti od bilo kojeg gore navedenog materijala. Ni jedan nije savršen, ali ni jedan nije ni loš.

Međutim, proizvođači često žele da naprave ram koji je “za još 100 grama lakši,” kako ne bi bio teži od konkurentskog. Manja težina je, pored sjajne farbe, ono što prodaje bicikle i ramove više klase. Da stvari budu još gore, čini mi se da biciklistička industrija ulaže puno više u marketing, nego u inženjering.

Kao rezultat svega toga, ramovi se često dizajniraju bez dovoljno “rezerve,” “bezbednosne margine.” Ne smemo zaboraviti ni uštede troškova proizvodnje i kontrole kvaliteta. Tako da ne čudi što mnogi ramovi brzo pucaju… što je odlično za bolju prodaju. Ubediti ljude da menjaju ramove posle dve, ili pet godina, iz predostrožnosti – to je san svakog kapitaliste! 🙂

Ipak, postoje ljudi koji znaju i hoće napraviti dobar ram. Nemojte da vas njihov izbor materijala navede na pomisao da njihov ram zbog toga ne može biti dobar.
– sadržaj –

9. Pogovor

Za sve je ovo kriv moj mudri prijatelj Goran! Pitao me je jednog dana: “Koji bicikl da kupim – ima li preporuka za to na tvom sajtu?” Počeo sam objašnjavati različite tipove, prednosti, mane… na šta je on odgovorio u stilu: “Ne zanima me Jungov modulus, reci mi šta ti preporučuješ da kupim.”

OK – zaključujem da definitivno sajtu treba više članaka za “normalne ljude.” 🙂
I odlučio sam napisati par preporuka, sa kratkim opisom/ocenom bicikala.

Međutim, pomislio sam – ako preporučujem bicikl sa karbonskom viljuškom, da linkujem ka članku u kojem objašnjavam prednosti i mane karbona, čisto da ljudi znaju – pa je onda na njima šta god da odluče. Krenuo sam guglati, i nailazio mahom na marketinško… pričanje.

Nikakav problem, pomislih, napisaću ukratko članak o karbonu i to je rešeno. Pa… se javio “crv u mozgu:” “Kako možeš pisati o karbonu, ako ga ne porediš sa drugim popularnim materijalima za ramove?! A kako da ih porediš, ako ne objasniš Jungov modulus, način otkaza i ostala čuda?”

Shvatio sam da mi ne gine pisanje dugačkog članka. Samo, čekaj – nekad davno sam pročitao fenomenalnu seriju članaka zvanu “Metalurgija za bicikliste”, od Skota Nikola. Imam i link sačuvan! Klik… “Page Not Found…”

Guglao sam malo i nailazio samo na po jedan-dva dela od cele serije, sa linkovima koji ne rade i lošim prelomom teksta. “Dobro, ne gine mi pisanje…”

Ovaj ceo članak je u najvećoj meri inspirisan i zasnovan na toj odličnoj seriji članaka. Ovo sam napisao prvenstveno za sebe, kako ja volim: sa puno detalja i dobro struktuirano. Za normalne ljude, mislim da je verzija Skota Nikola puno lepša, zabavnija, i lakša za čitanje. Ako neko zna gde je ta serija članaka objavljena na Internetu, u celosti, neka javi. Mislim da je treba sačuvati.
Ažuriranje: ko zna dobro engleski, originalna verzija članaka je, uz dozvolu autora, re-objavljena na engleskoj verziji BikeGremlin sajta, u celosti, pod originalnim nazivom: “Metallurgy For Cyclists.” Uživajte! 🙂
– sadržaj –

10. Izvori

• “Metalurgija za bicikliste”, serija članaka Skota Nikola
  Videti poglavlje 9. Pogovor za detalje
• AISI i SAE oznake čeličnih legura
• Označavanje legura aluminijuma
• Video na Peak Torque YouTube kanalu, o titanijumskom biciklu
  Video ima nekih tehnički pogrešnih tvrdnji, ali dobro pogađa suštinu
• Tom Ritchey o dizajnu svojih cevi i ramova
• Objašnjenje procesa proizvodnje aluminijuma
• O problemima sa karbonskim ramovima
• Luescher Teknik YouTube kanal
  Mnoštvo informacija o skeniranju, problemima i popravkama karbonskih ramova i delova
  – sadržaj –

Autor

Relja Novović

Relja je strastveni biciklista, dobar mehaničar bicikala, i profesionalni administrator računarskih sistema – sa decenijama iskustva u obe oblasti (i računari, i bicikli 🙂 ). Relja Novović – iskustvo i kratka biografija