Carbon eller Aluminium. Hva er stivest?

Hei!

Etter et par uker med diskusjon med kollegar på jobben som kommer fra bilindustrien. Hvor de hardnakket sier at Aluminium er stivere en Carbon, uansett form og fasong. Og jeg har sjekket litt på nett om det er tilfellet, uten å finne noe konkret svar på hva som er tillfellet. Tenkte jeg at her er vel et av de beste stedene å få svar på dette.

Hva er stivere Carbon eller Carbon?

Kjør diskusjon.

For de som kan litt materiallære kan f.eks. denne linken være verdt å sjekke ut:
Material properties

I utgangspunktet er aluminium både sterkere og stivere, men det vakre med komposittmaterialer er at de kan støpes for å ha de egenskapene man ønsker i et gitt tilfelle. Karbonfiber kan flekse og være tøyelig (fiskestenger), eller være pinnstivt i den retningen man ønsker at det skal være stivt (monocoque-konstruksjoner som biler (bl.a. F1) eller sykler).

En annen ting å bite merke i er forholdet stivhet/vekt, som gjør at man kan bruke mer materiale på samme vekt med karbonfiberkonstruksjoner kontra aluminium. Når man tar fiberorientering og vekt med i sammenhengen blir plutselig sammenligningen en annen. Da kan man bygge konstruksjoner i karbonfiber som veier det samme som en tilsvarende konstruksjon i aluminium, og karbonfiberkonstruksjonen kan være både stivere og sterkere enn motstykket.

Merk også setningen nederst på siden jeg linker til:
"These tables relate to only 2 of the many fibre orientations possible. Most components are made using combinations of the above materials and with the fibre orientations being dictated by the performance requirements of the product" (Utdrag).

Karbon (ja, med K på norsk) og aluminium som materialer kan ikke sammenlignes bare som materialer.

Karbon er dritmykt, sånn er det med den saken. Karbonfibre kan sammenlignes med tykk sytråd. Karbonkompositt (karbonfibre innsauset og herdet med plast eller epoxy) gjør det stivt. Dermed er det ikke gitt at karbon er stivt eller ikke.

Karbon kan bygges veldig stivt - eller veldig mykt.

Aluminium "må" bygges stivt for å bli sterkt. Så ut av esken er vel kanskje aluminium stivere.

Men hva som er stivest kommer egentlig ned til design og legering for begge parter.

Ergo ingen har rett. - Eller: aluminium er stivere enn karbonfiber, ref min sammenligning over.

Baronen har selvsagt rett. Karbonfiber er mykt som sytråd, men karbonfiberkompositter derimot...

Jeg kanskje forklarte meg litt dumt Baron.

Diskosjone er som følger:

Jeg står og snakker med en kunde om racer stem. Jeg sier, noe som jeg har sagt maang en gang, at dette Karbon Fiber stemet er stivere enn dette alu stemet. Hvor på min kollega på 18 kommer og forteller meg at jeg har feil. Hm tenkte jeg. Har jeg feil. Etter mange år i bransjen og utallige runkepelle diskusjoner med folk om hva som er stivere Karbon fiber, Stål eller Alu. Sjefen min som kommer fra bilindustrien var på lag med 188 åringen om at Alu var stivere. Grunne var at sjefen kune sagten meg få et Karbon fiber styre til å flekse som bare det uten at deg forble i det yterste punkte av fleksen. Gjorde han det samme med et Alu stem og styre ville ikke det flekse like mye som Karbon fiber. Begrunelsen var at Karbon fiber hadde et bedre mine og Alu ikke hadde det. Alu ville bøye seg før det flekset tilbake, derfor stivere. Ok sa jeg og tenkte at dette skal jeg finne ut av. Har jeg blitt informert feil og tatt for gitt feil? Jeg ar trots alt følgt med på skolenn om hav som er det beste av de 2 matrealene.

Så kom jeg over dette: Sheldon Brown som jeg tror de fleste her kjenner sa det ganske enkelt og greit:

Strength and stiffness are different properties that are often confused with one another. It is important to understand the difference, if you want to understand differences in frame materials.
Imagine you clamp one end of a metal bar in a vise, and you hang a weight on the free end, causing the bar to flex temporarily. When you remove the weight, the bar snaps back to its original shape.

Different materials will flex different amounts for the same amount of force applied. This is stiffness.

Now imagine hanging a heavier weight on the bar, so heavy that it becomes permanently deformed. When you remove this weight, the bar does not snap back all the way to its original shape, but remains bent to some extent. When the metal changes shape permanently, it is said to "yield."

Different materials can withstand different amounts of force before yielding. This property is strength.

Kanskje vi snakket om 2 forselige ting. Styrke og Stivhet?

Helt rett. Styrke er en mekanisk egenskap til et gitt materiale, mens stivhet er en kombinasjon av styrke(material som er valgt for konstruksjonen) og geometrisk utforming(design) av en konstruksjonen.

Tja, nå roter du jo styrkebegrepet inn i dette igjen. Jeg er enig i at den totale stivheten avhenger av geometrien, men det er jo nesten åpenbart.

Nå er jo heller ikke aluminium et så ensartet materiale som man kunne tro heller -- det finnes et vell av ulike legeringer og "tempers", altså legeringer med ulik herdehistorikk, som gir utslag på størrelse, sammensetning og orientering av de ulike krystallene, som i sin tur gir ulike mekaniske egenskaper på makronivå.

Nei. Nesten alle legeringer av aluminium har samme E-modul. Det er denne som er avgjørende for hvor stor nedbøyning en konstruksjon får. Ikke mekaniske egenskaper som flytspenning eller bruddspenning. Det er akkurat som at stål også har utallige legeringer med forskjellige flyt- og bruddspenninger, mens E-modulen er lik for samtlige stållegeringer. Det samme gjelder for aluminium.

Hva er E-modul?

Elastisitetsmodul. En materialegenskap:

http://en.wikipedia.org/wiki/E-modulus

Ved valsing og ekstrudering vil man som regel forrykke den krystallografiske orienteringen og man kan få endringer i E-modul, jf. fenomenet "earing".

Ellers var det jeg kommenterte at du benyttet begrepet styrke der du sikkert mente stivhet. Styrke relateres til første flyt eller endelig brudd, litt avhengig av applikasjon.

Hvor stor endring i E-modul? Har ikke hørt om "earing", og Google ga ikke mye fornuftig informasjon. Det er klart at kaldbearbeiding gir endringer den krystallografiske orienteringen. Men dette kommer fra plastisk deformasjon av materialet. Tviler på denne potensielle økningen av elastisitetsmodul ved kaldbearbeiding har en signifikant innvirkning på nedbøyningen av en konstruksjon.

Det jeg kommenterte var en konstruksjons stivhet - altså motstandsdyktigheten konstruksjonen har mot nedbøyning. Elastisitetsmodulen beskriver stivheten i et elastisk materiale. Begrepet stryke er litt mere vagt, og brukes forskjellig i fagterminologi og folkelig omtale. Det jeg prøvde å få frem var hvordan mekaniske egenskaper påvirker en konstruksjons stivhet.

Endring i E-modul på grunn av endring i den krystallografiske orienteringen har jeg aldri hørt om. Såvidt jeg husker påvirker kaldvalsing/ekstrudering og den type prosesser hardheten til materialet mer enn noe annet?

Også verdt å huske på at et herdet materiale er sterkere, men også sprøere (vesentlig mer utsatt for sprøbrudd) enn det samme materialet når det ikke er herdet. Men det betyr ikke at E-modulen ikke er den samme før og etter herding..?

"Earing" -- når man f.eks. skal lage brusbokser, lages disse med å trykke en punch ned i en liten plate aluminium -- det heter vel "deep drawing" på engelsk? Når man har fått en sylinder, vil det overskytende materialet ha fått "ører", dvs. det har strukket seg i ulik grad avhengig av den krystallografisk orienteringen med ulik E-modul i ulike retninger. Dette er et høyst reelt fenomen, men jeg er enig i at det ikke har noe å si for aluminium som konstruksjonsmateriale.

For et enkelt krystall aluminium er forskjellen i E-modul i de ulike aksene ganske stor, men jeg husker ikke helt i farten. Poenget er at materialet "likerettes" ved bearbeiding som beskrevet over, og man får ikke den anisotropien på krystallnivå som gir uniforme materialegenskaper på makronivå.

Teksturanalyse er vel det de som driver med dette kaller det, og det er et relativt ferskt fagfelt. Det er f.eks. mulig å gjøre et "teksturopptak" av en materialprøve og derfra estimere relevante materialparametre. Tekstur forstås her som summen av eller gjennomsnittlig krystallografisk orientering.

Dette er en produksjonsmetode der man er over i det plastiske området til materialet og det er klart at det gir endring i E-modul i de ulike retningene. Hadde vært morsomt om du fant noen tall på hvor stor forskjell der blir på E-modulen. Prosessen kan vel omtales som dyptrekking(ref. norsk-engelsk teknisk ordbok) på norsk.

Så lenge en aluminiumslegering som brukes til konstruksjonsmaterial har isotropiske egenskaper ved belastninger innenfor det elastiske området er det jo strengt tatt bare E-modulen som er av interesse.

Teksturanalyse er nytt for meg, men helt klart noe som jeg bør lese meg opp på.

Er sykling den foretrukne aktivitetsformen blant ingeniører?

Jeg skal sitere skamløst fra denne tråden neste gang en selger på XXL skal prakke på meg en karbonsykkel.
"Jo takk, den plastsaken er fin nok den, men den krystallografiske orienteringen i denne aluramma gir akkurat
de isotropiske egenskaper jeg ønsker ved belastning innenfor det elastiske området"

Ja.

http://terrengsykkel.no/ubb/ubbthreads.php?ubb=showflat&Number=330769&page=1

Er en god del ingeniører som liker sykling, men tror ikke det er den foretrukne aktiviteten til majoriteten av ingeniører. Men tror at mange ingeniører reagerer på bruken av ord(buzzword som de kaller det på engelsk) som sykkelbransjen bruker for å selge nye ting. Og derfor tar til ordet når fagord misbrukes for å skape et i overkant positivt/misvisende bilde av et produkt.

Den skjønte jeg ikke. Jobber i en ingeniørbedrift og det er dritmange ingeniører som sykler (dessverre sykler de fleste ikke terreng)

vil bare supplere med et par poenger:

1. Fordelen med karbon i sykkelverdenen er at det kan bli stivt i akkurat hvilken retning man ønsker at det skal være stivt, avhengig av hvordan man legger fiberne. Dette gir egentlig bare en fordel vektmessig, siden man trenger mindre materiale for å oppnå den stivheten man trenger.

2. Stivt er ikke alltid bra. På en hardtail ønsker du ikke en stivest mulig bakramme, men på en fulldemper bør ramma være stivest mulig slik at demperne kan gjøre jobben med å flytte hjulene i forhold til ramma.
Karbon kan lettere formes og justeres til å være relativt mykt der det trengs, samtidig som det er stivt der det trengs. Aluminium har ikke den samme fleksibiliteten.

Har jobbet i 5 år som ingeniør i to forskjellige ingeniørbedrifter og kan ikke si at majoriteten av mine nåværende og tidligere arbeidskollegaer har sykling som sin foretrukne hobby/fritidsaktivitet. Men dette varier helt sikkert fra bedrift til bedrift. Sikkert flere ingeniører med lengre fartstid enn meg som kan kommentere/gi innspill på om sykling er den foretrukne aktiviteten til ingeniører(snakker da om siv. ing, høgskole ingeniør og alle andre som vil bruke tittelen ingeniør).