AREA69 PORTAL

Давно известно, что части машин и конструкций, подвергающиеся усилиям, переломным по величине и повторяющимся большое количество раз, иногда ломаются внезапно, без наличия заметных остаточных деформаций, при напряжениях, которым они сопротивляются при статических нагрузках вполне надежно. Внимание инженеров прежде всего привлекло именно то обстоятельство, что элементы машин, изготовленные из материалов, обладающих при испытаниях прекрасными пластическими свойствами — достаточным удлинением, сужением, ударной вязкостью, разрушаются без всяких видимых остаточных деформаций, как будто бы они были выполнены из хрупкого материала.

Общие понятия об усталости материалов.

В 19-м веке возникла гипотеза, что при действии переменных напряжений металл «устает», изменяет свою структуру, из пластичного делается хрупким, обладающим кристаллическим строением. Однако в 20-м веке, стало ясно, что эта гипотеза в корне неверна. Никаких принципиальных изменений ни в строении, ни в механических свойствах металлов, при циклических нагрузках не происходит, как бы долго они не прилагались.

Многочисленные исследования показали, что при действии переменных напряжений, в металле возникает трещина, постепенно проникающая вглубь изделия. При переменных деформациях края трещины то сближаются и нажимают друг на друга, то расходятся; этим объясняется наличие гладкой притертой зоны излома. По мере развития трещины усталости поперечное сечение ослабляется все сильнее, и наконец, при случайном толчке или ударе наступает окончательное разрушение, когда сопротивление оставшейся части сечения оказывается недостаточным. Таким образом, хрупкий характер окончательного излома при переменных нагрузках объясняется не тем, что материал изменился, переродился, стал хрупким, а тем, что он оказался благодаря наличию трещины усталости в таком напряженном состоянии, которое обуславливает хрупкое, без остаточных деформаций, разрушение. Изложенная точка зрения является теперь общепринятой среди инженеров; таким образом, само понятие «усталость» материала потеряло свой физический смысл; описывая явление разрушения при действии переенных нагрузок, надо говорить не о разрушении от «усталости», а о разрушении путем постепенного развития трещины. Однако благодаря краткости этого термина выражение «усталость» удержалось до настоящего времени, изменив лишь свой смысл.

Для образования трещины усталости необходимо, чтобы действительная величина наибольшего значения систематически колеблющегося напряжения превзошла определенную границу, так называемый предел усталости, или предел выносливости. Предел выносливости — наибольшая величина переодически меняющегося напряжения, которой материал может противостоять практически неограниченно долго без появления трещин усталости.

Таким образом, возможность разрушения путем постепенного развития трещины обусловливается двумя обстоятельствами:

а) периодическим колебанием напряжений между определенными крайними пределами;

б) превышением наибольшими действительными напряжениями в элементеконструкции предела выносливости материала.

Опыты показали что если стальной образец не разрушился после 10 млн циклов, то он может выдержать практически неограниченное число циклов. Для цветных металлов подобной зависимости нет. В этом случае можно говорить только об условном пределе выносливости и при испытаниях приходится давать до 500 млн. циклов.

Местные напряжения.

Очевидно, что детали машин и конструкций далеки от идеала и имеют сложную форму с разного рода выточками, отверстиями, изгибами, переходами от сечения одних форм и размеров к другим, а также с какими-либо внутренними или внешними повреждениями и пороками, неоднородностью строения материала и т.п. Все эти отклонения называются факторами (источниками) повышения или концентрации напряжений и характеризуются коэффициентом концентрации напряжений: отношение наибольшего местного напряжения к номинальному (т.е. к напряжению в той же точке при отсутствии фактора концентрации напряжений, см.табл 1). Концентрации напряжений значительно снижают надежность конструкции и напрямую влияет на предел выносливости.

Таблица 1. Некоторые теоретические коэффициенты концентрации (Ак).

Говоря о местных напряжениях, необходимо особенно подчеркнуть влияние всякого рода повреждений поверхности на величину предела выносливости. Так например ржавчина поверхности может снизить предел выносливости до 60%. А даже простые царапины и риски снижают на 10-20%. Если обычная механическая обработка поверхности стальной детали создает концентрацию напряжений, оцениваемую коэффициентом Ак=1,25...2, то грубая шлифовка снижает его до 1,1...1,45, грубой полировке — до 1,05...1,15 и только при чистой полировке поверхности детали Ак=1. Цветные металлы и сплавы несколько менее чувствительны к виду обработки поверхности, но все равно это очень важный фактор влияющий на долговечность конструкции. В заключении необходимо сказать, что чем более высокую прочность имеет материал, тем он чувствительнее ко всякого рода надрезам и повреждениям поверхности, тем более культурной обработки он требует.

Методы борьбы.

Практические меры, которые позволяют обеспечить изготовление элементов машин и конструкций при переменных напряжениях можно разделить на две категории:

1. Применение материала, который наилучшим образом сопротивлялся бы действию переменных напряжений. Требования к материалу в этом отношении сводятся к двум положениям: во-первых, желательно применять металл с возможно более высоким пределом прочности при достаточной пластичности, что обеспечит высокое значение предела выносливости; во вторых, материал должен быть свообден от всяких внутренних «факторов концентрации»; что напрямую зависит от качества материала и термической обработки.

2. Грамотная, культурная проектировка внешних очертаний детали и тщательной обработке ее поверхности. Основная цель, которую должны ставить себе при этом конструктор и технолог, сводится к возможному снижению кэффициентов концентрации напряжений, вызываемых всякого рода резкими изменениями очертания детали и дефектами обработки поверхности. Снижение местных напряжений достигается прежде всего возможно более плавными очертаниями переходов, выемок, надрезов, галтелей. Совершенно необходимо решительно не допускать переходов, вовсе не смягченных кривой хотя бы не очень большого радиуса.

Выводы.

Такие вот дела, дорогой анонимус. На чем бы ты не ездил, это все равно рано или поздно развалится. В погоне за снижением массы велокомпонентов (в том числе и рам), вражеский инженер под давлением конкуренции на рынке и дяди капиталиста, рассчитал твою топовую эСэЛь-раму впритык к допустимым запасам прочности (а может и ниже оных).Радует сердце зализаные швы, рассеивающие концентраторы напряжений, качество металла и изготовления дорогих заморских труб и какой-никакой контроль ОТК в китайских сварочных цехах (ведь дядя капиталист должен следить за брендом). Но при любом раскладе циклические нагрузки потихоньку накапливаются, прочность падает и неминуемо грядет пездець со своей ушлой ухмылкой.

Учитывая все вышесказанное и нижеприведенную диаграмму вырисовывается вывод, что для параноиков и тяжеловесов лучший вариант - это титан. Но титановая рама - стоит нехилых денег, его ограниченно выпускают всего несколько фирм и найти его довольно трудно. Можно попробовать сварить на любимом заводе самопал из титановых труб. Но это только в том случае если вы дружите с мастером термического участка. Так как у титанового изделия из сплава ВТ-6 без закалки и старения, да еще и жестоко изнасилованного сваркой, предел выносливости падает процентов эдак на 70-80 и та голубенькая линия на диаграмме упадет ниже буржуйского магнезиума. Если сварить из технического титана типа ВТ1-0, то вес не меняется, а прочность можно смело делить на три. Хотя нужно сказать, что "рапид" варит из отечественных сплавов  ПТ-7М и ОТ-4 без последующей ТО, а буржуи из titanium Grade 9, тоже без ТО. Вообщем ты понял. Или копи бабки, или ищи крутой комплект труб и классного сварщика, или не заморачивайся дурными мыслями.

Второй вариант: купить стальную олдфаговую железяку. Сталь всем хороша, но если ты попал под дождь, утонул или набрал полный рот грязи, то ты понял. Ржавчина внутри удаляется только с помошью вскрытия и ту красненькую линию на диаграмме можно смело опускать в два раза.

Третий вариант: А не заморачиваться и ездить в свое удовольствие. В этих ваших энторнетах, известны достоверные случаи жизни шоссейных алюминиевых рам по 10-12 лет при активном использовании и неизвестен ни один (по крайней мере я целенаправленно искал и не нашел), в котором бы человек серьезно пострадал в результате именно усталостного разрушения велосипедной рамы. Аффтар считает, что от усталости в первую очередь рама лопнет не пополам и не по рулевому стакану, а где-нибудь в основании перьев, околодроппаутной зоне или на самих дроппаутах. Что вообщем-то не редкость и в результате чего байкеры не только не падали, но и успешно дотягивали до дома с импровизированой шиной в поломаном месте.

Собственно сама диаграмма.

Ниже приведены сравнительные диаграммы усталости для наиболее распространенных сплавов применяемых в велоиндустрии. По оси абсцисс отмечается количество циклов, с периодической нагрузкой, до разрушения образца. По оси ординат - предел прочности материала, после определенного количества циклических нагрузок.

Следует учесть, что диаграммы приблизительные и носят скорее ознакомительный характер, т.к. процесс усталостного разрушения до конца не изучен и даже у одинаковых материалов при лабораторных испытаниях, результаты колеблятся в широких пределах, иногда достигая различия на несколько порядков N. Применительно к велосипедным рамам так же следует учитывать вес велосипедиста, стиль катания, частоту катания (перерывы между нагрузками тоже имеют значение), разные диаметры, толщины и профили труб, и бесчетное количество остальных мелких, но весомых факторов. Поэтому при выборе рамы лучше меньше смотреть на сплав, а больше на геометрию, исполнение и качество.

Кривые усталости сплавов. Фактический предел прочности (слева); Процентная потеря прочности при циклических нагрузках (справа). ВАЖНО!!!:данные характеристики соответствуют только сплавам с указанной термообработкой.

(с) Folgan