Применение Самые популярные 

Bicycle aluminium alloys: 6061 and 7005

Bike frame materials

Большинство велосипедных рам делают из

  • стали
  • алюминиевых сплавов.

Реже и дороже велосипедные рамы изготавливают из

  • carbon fiber
  • титановых сплавов.

Steel

  • Стальные рамы – это в основном рамы из хромомолибденовой стали типа 4130. Хорошо сделанная рама из хромоникелевой стали обладает необходимой прочностью, долговечностью и относительно мало весит.
  • Reynolds 525 and 725 use the same base alloy (very similar, if not the same as 4130), but 725 has improved properties due to heat treatment.
  • Некоторые стальные рамы, в основном детских велосипедов, изготавливают из более дешевой углеродистой стали – они такие же прочные и долговечные, но тяжелее хромомолибденовых, потому что толще.

Aluminium alloys

  • Большинство велорам из алюминиевых сплавов имеют примерно такую же прочность и массу, как и близкие им по цене рамы из хромомолибденовой стали.
  • Их повышенная жесткость хороша для езды по горам или в спринте, но не для преодоления ям и кочек.
  • В отличие от стальных алюминиевые рамы не ржавеют.  С другой стороны, рамы из алюминиевых сплавов более подвержены усталостным разрушениям и менее ремонтопригодны, чем стальные.
  • Однако хорошо сделанная алюминиевая рама прослужит верой и правдой много лет.

Рама – главная часть велосипеда и база для крепления всех остальных его частей. Рамы современных велосипедов делают обычно из труб, которые соединяют в виде так называемого «двойного треугольника». Эту форму называют также «diamond» – кому-то она напоминает ромб и даже, может быть, алмаз. Форма рамы за более чем сто лет почти не изменилась, хотя с развитием современных технологий и материалов и появилось много новшеств. В последние пару десятилетий особенно активно  искали новые материалы для рам, в том числе среди алюминиевых сплавов.

Факторы качества

Качество велосипедной рамы как конструкции определяют четыре основных фактора:

  • жесткость,
  • прочность,
  • усталостная прочность
  • вес.

Жесткость велосипедной рамы

Жесткость определяет способность конструкции упруго деформироваться: чем больше жесткость, тем меньше упругие перемещения элементов конструкции относительно друг друга. Упругие рамы смягчают удары об ямы и кочки, тогда как более жесткая рама будет передавать ездоку удары от каждой ямы и кочки. С другой стороны, более гибкая рама больше прогибается под нагрузкой, поглощая часть энергии, которая предназначена для движения вперед. Поэтому велосипедисты, которые хотят побеждать в спринте и гонках на время предпочитают жесткие рамы.

Прочность материала велосипедной рамы

Прочностные характеристики материала рамы – предел прочности и предел текучести – в нормальных условиях прямо не влияют на качество езды или ощущения от нее, но являются существенным фактором для стойкости рамы к сильному, «аварийному» удару. Прочная рама выдержит такой удар, а менее прочная – слабая – может и не выдержать.

Усталостная прочность велосипедной рамы

При нормальной езде каждый поворот педали, яма или кочка вызывают в раме небольшие циклические напряжения. Хотя эти напряжения и намного ниже предела текучести материала, за несколько сотен тысяч циклов нагружения они могут вызывать так называемые усталостные трещины и, в конечном счете, усталостное разрушение. Сопротивление материала этому типу разрушения называют усталостной прочностью. Если вы рассчитываете ездить на своем велосипеде несколько десятилетий, ваш вес выше среднего и вы редко слезаете с седла, то для вас усталостная прочность – важный фактор.

Вес велосипедной рамы

Вес, а точнее масса рамы, зависит от плотности материала и, конечно, конструкции рамы, в частности, толщины ее труб. Типичная рама весит от 1,5 до 3,0 кг, что составляет около четверти всего веса велосипеда. Впрочем, полный вес велосипеда часто в десять раз меньше, чем сам велосипедист в полном «боевом» облачении. Так что большинство велосипедистов и не заметят небольшой разницы в весе рам, если, конечно, им не придется долго карабкаться по горам на велосипеде или под ним.

Алюминиевые сплавы для велосипедных рам

6061 или 7005

Алюминиевые велосипедные рамы изготавливают главным образом из алюминиевых сплавов:

Некоторые другие алюминиевые сплавы, например, 7075 и 2014, более прочные, чем оба сплава 6061 и 7005, но они не мало подходят для изготовления велосипедных рам, так как их почти невозможно сваривать, по крайней мере, обычной аргонно-дуговой сваркой.

Часто считают, что алюминиевый сплав 6061 больше подходит для велосипедных рам, чем сплав 7005, хотя сплав 7005 и несколько более прочный. Прочность при растяжении сплава 7005-Т6 составляет 350 МП, а сплава 6061-T6 – 310 МПа, предел текучести 290 и 275 МПа, соответственно.

Когда речь идет о прочности рамы в целом, то большие различия в прочности возникают из-за качества сварных швов, выбора формы труб и их толщины, а также общей конструкции рамы. На самом деле, при тех нагрузках, которым обычно подвергается велосипедная рама, различий между алюминиевыми сплавами 6061 и 7005 практически нет, поскольку напряжения, которые возникают в раме, достаточно далеки от этих предельных величин.

Алюминиевый сплав 6061

Chemical composition

Алюминиевый сплав 6061  принадлежит  к серии алюминиевых сплавов 6ххх (Al-Mg-Si). Основными легирующими элементами являются:

  • магний (0,8-1,2 %) и
  • кремний (0,40-0,6 %),
  • а также медь (0,15-0,40 %)  и
  • железо (до 0,7 %).

Heat treatment after welding

Сплав 6061 обладает довольно высокой прочностью, легко сваривается и широко применяется не только для изготовления велосипедных рам, но и в строительстве, самолетостроении, судостроении.

Как и все сплавы серии 6ххх сплав 6061 является термически упрочняемым сплавом. Термическая обработка, которая применяется для уже сваренных рам, включает:

  • нагрев до 530 °С
  • интенсивное охлаждение водой
  • искусственное старение при температуре около 180 °С в течение 8 часов.

Алюминиевый сплав 6061 после такой обработки обозначают 6061-Т6.

Figure – Chemical composition of 6061 aluminium alloy according to EN 575-3.
A fragment of the table 6 from the EN 753-3 standard

Mechanical properties

Figure – Mecanical properties for 6061 alloy extruded tubes in T6 temper.
A fragment of the table 41 from the EN 755-2 standard

Алюминиевый сплав 7005

Chemical composition

Алюминиевый сплав 7005 принадлежит к серии алюминиевых сплавов 7ххх без легирования медью (Al-Zn-Mg). Основные легирующие элементы:

  • цинк (около 4,5 %) и
  • магний (около 1,4 %).

Алюминиевый Сплав 7005, также как сплав 6061, является термически упрочняемым. Однако, в отличие от сплава 6061:

  • для закалки сплава 7005 достаточно охлаждения воздухом.

 


Figure – Chemical composition of 7005 aluminium alloy according to EN 575-3.
A fragment of the table 7 from the EN 753-3 standard

Figure – Mecanical properties for 7005 alloy extruded tubes.
A fragment of the table 54 from the EN 755-2 standard

Heat treatment after welding

Alloy 7005  have ability to age-harden in the heat-affected zone up to about 80 % of the parent metal by natural aging and can be recover 100 % of strength if artifically aged after welding

Брендовые алюминиевые сплавы

Aluxx, Aluxx SL and Aluxx SLR

Известная велосипедная компания Giant применяют свой, брендовый алюминиевый сплав «Aluxx». При этом обычный «Aluxx» – это просто алюминиевый сплав 6061, но с особой конструкций «баттинга», технологии гидроформинга и термической обработки.

  • Butting – утолщение труб критических сечениях, чаще на концах труб.
  • Гидроформинг – формовка труб путем помещения их в специальные матрицы и закачки им внутрь воды или специального масла под высоким давлением.

Более продвинутые бренды Aluxx SL и Aluxx SLR применяют алюминиевый сплав 6011, который отличается от сплава 6061 чуть большим содержанием меди.

Figure – Chemical composition of 6011 aluminium alloy according to EN 575-3.
A fragment of the table 6 from the EN 753-3 standard

Alpha White, Black and Red

Фирма Trek применяет бренды:

  • Alpha White Aluminum и Alpha Black Aluminum – это обычный сплав 6061,
  • Alpha Red Aluminum – термически упрочненный алюминиевый сплав 7075.

Figure – Chemical composition of 7075 aluminium alloy according to EN 575-3.
A fragment of the table 7 from the EN 753-3 standard

Figure – Mecanical properties for 7005 alloy extruded tubes.
A fragment of the table 61 from the EN 755-2 standard

Источники:

https://off.road.cc/content/feature/the-ultimate-guide-to-frame-materials-whats-best-for-bikes-664

https://www.bikeradar.com/advice/buyers-guides/bike-frame-materials/

https://www.giant-bicycles.com/global/aluxx-slr

https://www.bikeexchange.com.au/blog/bike-frame-materials-explained