Il Sarto con le Ruote | Il Titanio, proprietà e caratteristiche.

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Buon giorno a tutti e benvenuti  al primo incontro di informazione tecnica riguardante la bicicletta.
Il primo argomento che ho scelto è: il TITANIO,  è il materiale giusto per la mia bicicletta?
Vi vorrei far notare che ho scritto volutamente la mia Bicicletta e non il mio Telaio per rimarcare che è importante analizzare la bicicletta come tale, nel suo insieme. Questo significa che se mi interessa analizzare il comportamento della mia bicicletta su strada devo tenere conto di tutte le variabili che possono influenzare il comportamento del mio mezzo. Fatta questa importante premessa possiamo inoltrarci ad analizzare alcune proprietà e caratteristiche del Titanio.

La prima domanda che normalmente viene posta è: che grado di Titanio si utilizza per costruire un telaio?
Ci sono ufficialmente diversi Gradi di Titanio CP (Commercialmente Puro) ed oltre 30 leghe di titanio sono disponibili sul mercato arricchite di Alluminio, Cromo, Ferro, Molibdeno, Niobio, Palladio, Rutenio, Stagno ,Silicio, Vanadio e  Zirconio, : ognuna di queste leghe avrà  allungamenti a rottura variabile ed utilizzando dei  trattamenti  termici si riusciranno a modificare ulteriormente le caratteristiche del prodotto.

Le leghe che maggiormente vengono usate per la costruzione di telai e componenti sono :

Lega Ti-3Al-2.5V (94% Titanio, 3% Alluminio, 2.5% Vanadio), lega alfa, nota anche come Titanio Grado 9; se vogliamo fare i preci in Italia è identificata come TiAl3V2,5-Tipo 9

Lega Ti-6Al-4V (89% Titanio, 6% Alluminio, 4% Vanadio), lega alfa+beta tra le più utilizzate. Nota come Titanio Grado 5; in Italia è identificata come TiAl6V4-Tipo 5

 

Titanio e le sue leghe | Esempio di nomenclatura IL_SARTO_CON_LE_RUOTE_Peter_Boeris_Bicicletta_Materiali_Il_Titanio_Tabella_1
Giunti a questo punto emerge una seconda domanda:
che caratteristiche forniscono al telaio queste leghe e ci sono differenze sostanziali fra le due ?

Risponderei prima alla seconda parte della domanda: per avere la certezza del tipo di Titanio usato  questo dovrebbe essere certificato ASTM International che è l’organismo che certifica i materiali. Fatta questa premessa una differenza fra il grado 5 e il grado 9 sono i tubi senza saldature. Mi spiego: il procedimento utilizzato per creare i tubi di grado 5 consiste nella curvatura e la saldatura di un insieme di fogli laminati,( questo per la difficoltà ad essere trafilati) mentre i tubi di grado 9 si possono ottenere trafilati a freddo senza saldature. Esaminando un tubo grado 5 nella zona di saldatura , questa  potrebbe evidenziare  una fusione non completa,  rilevando differenze di struttura molecolare tra il tubo  e la saldatura che potrebbe generare nel tempo  delle micro lacerazioni con possibile cedimento del telaio.

Adesso cercherei di rispondere alla prima parte della domanda: che caratteristiche forniscono al telaio queste leghe?

Per rispondere a questa domanda dobbiamo innanzitutto analizzare cinque parametri che ci forniscono esattamente le proprietà del titanio e sono:

E = modulo elastico; viene misurato in Newton su millimetro quadrato (N/mm2). Definisce la capacità del materiale di deformarsi, sottoposto ad una forza e tornare nella posizione originaria. Più il valore è elevato e più il materiale è rigido. In una deformazione elastica,  quando applichiamo il carico noteremo una deformazione,  ma quando tale carico viene rimosso, il campione tornerà alle dimensioni originarie, come se la deformazione non fosse mai avvenuta. Una deformazione viene invece definita plastica se, una volta rimosso il carico che era stato applicato in precedenza, il materiale presenta una deformazione residua apprezzabile.

Rs = carico di snervamento: è rappresentato dal  limite fra le deformazioni elastiche (la capacità del materiale di ritornare nella posizione precedente la sollecitazione) e quelle plastiche. Cerco di esprimere il concetto in modo più esauriente : quando un materiale è sollecitato sotto un carico minore del suo carico di snervamento, si deforma in misura proporzionale al carico, e ritorna alla sua forma originale quando il carico è rimosso. Se caricato oltre il suo carico di snervamento, allora il materiale si deforma in proporzione maggiore rispetto al carico, e non torna più alla sua forma iniziale quando il carico è rimosso. Questo valore viene utilizzato per  determinare le sezioni. L’unità di misura è N/mm2.

Rm = carico di rottura: non è altro che Il carico massimo che esso può sopportare senza rompersi misurato anch’esso in N/mm2.

D = densità:  la densità  è definita come il rapporto tra la  massa ed il volume di un oggetto D= m/V. Nel Sistema internazionale l’unità di misura è il Kg/m³. La densità di una sostanza è, quindi, la quantità di materiale (massa) contenuta nell’unità di volume di quel materiale. Se vogliamo fare una piccola precisazione la massa  rappresenta la quantità di materia di cui è costituito un corpo. Quando una persona sale sulla bilancia misura la sua massa,  non è il peso. Infatti il peso si misura in N (Newton) ed è il prodotto della massa (M) per l’accelerazione di gravità (g): Peso = M g

( un chilogrammo peso equivale  a 9,8N)

A% = allungamento percentuale: definisce quanto un materiale si deforma prima della rottura.

Per rendere chiare ed esaustive le proprietà del Titanio devo  porre  i parametri considerati  a confronto  con i parametri di altri materiali. In questo modo risulteranno più facili da analizzare i risultati che questi confronti scaturiranno.

Faccio una premessa : per semplicità  la scelta dei materiali non è specifica ma generale e quindi i valori  confrontati in tabella sono approssimati e non esatti.



Analizziamo i valori della tabella :

E = Modulo elastico : cosa ci dice la prima colonna? Visionando i dati si riscontra che il materiale con maggiore rigidità è l’acciaio, mentre il Titanio ha un valore pari alla metà dell’acciaio ed infine l’alluminio è quasi un terzo. Allora? Per trarre delle conclusioni dobbiamo sapere che  se raddoppio il diametro la rigidità incrementa di 8 volte , mentre  se raddoppio il diametro il peso aumenta di 4 volte . Con queste specifiche  si comprende che l’alluminio che ha un valore di densità  basso pari a 2,70 Kg/m3 mantiene un peso contenuto ma dovendo aumentare il diametro dei tubi ( per non incorrere a rotture) il materiale aumenta notevolmente il suo grado di rigidità. Il Titanio mantiene la capacità di deformarsi con un valore pari alla metà dell’acciaio e quindi dopo questa analisi il materiale che risulta avere valori migliori è il Titanio.

Rs = carico di snervamento e  Rm = carico di rottura  analizzati insieme cosa ci dicono? Se analizziamo la tabella vediamo che il valori  definiscono due situazioni di comportamento ai test simili. Ovviamente i valori  Rs sono minori di Rm  ma i risultati sono abbastanza proporzionati. Se consideriamo i carichi sopportati  dall’alluminio prima della rottura essi non sono superiori  a circa 450 N/mm2 che significa rispetto all’acciaio la metà od addirittura un terzo. Il titanio con valori vicino 850 N/mm2 si comporta come un discreto acciaio, mentre rispetto all’alluminio ha carichi di rottura quasi doppi. Il Titanio non ha vinto ma sale sul podio. Una piccola nota: l’acciaio con alta percentuale di carbonio, si spezza appena viene superato il limite elastico.

D = densità : i valori della tabella sono di facile comprensione il primo posto nel mantenere un peso contenuto con il valore di 2,70 Kg/m3 va all’alluminio, seguito dal titanio con un valore quasi doppio rispetto alluminio ma comunque quasi la metà rispetto all’acciaio. Questo significa che un telaio in titanio avrà generalmente un peso minore di un telaio in acciaio, mentre rispetto ad un telaio in  alluminio il peso si avvicina di parecchio a causa delle dimensioni dei tubi “over” che bisogna utilizzare per l’alluminio.

A% = allungamento percentuale : capacità di deformarsi  prima della rottura, non dimenticando i valori Rm dei singoli materiali ,la caratteristica migliore la possiede il Titanio.

IL_SARTO_CON_LE_RUOTE_Peter_Boeris_Bicicletta_Materiali_Il_Titanio_Tubo_Reggisella Titanio | Tubo Sterzo

Considerazioni:
Vorrei fare rilevare che questa analisi non è sufficiente per stabilire esattamente le caratteristiche di un telaio e di conseguenza di una bicicletta poiché nella costruzione di un telaio subentrano altri fattori quali : come è stato saldato, la forma dei tubi,  gli spessori  dei tubi, le sezioni ellittiche o circolari dei tubi, se sono stati saldati dei rinforzi , le geometrie utilizzate ecc. ecc. quindi ? Con questo articolo ho fornito solamente alcune nozioni inerenti le caratteristiche del titanio. Che cosa abbiamo imparato? La prima cosa evidente è che  rispetto ad un acciaio le leghe di titanio offrono un migliore rapporto resistenza meccanica/densità. Ci troviamo di fronte ad un materiale sicuramente affidabile nel tempo con un comportamento sotto carico più che accettabile e con una densità  che permette di stimare una bicicletta di circa 7,5 Kg. Inoltre mi sembra opportuno ricordare l’eccellente resistenza alla corrosione del titanio e non meno importante questo materiale non inquina, non è tossico ed è riciclabile.

Il mio pensiero:
Se facessi delle gran fondo su strada o dei percorsi da cross country in mtb ( front) sicuramente un pensiero su questo tipo di materiale lo farei. Sarà la bravura e la competenza dello specialista del settore  che analizzando tutte le variabili mi fornirà la Bicicletta unica per me.

Grazie a tutti,  se riterrete che questo piccolo approfondimento sia stato utile vi prego di incoraggiarmi per il successivo artico. Buona pedalata.

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