Titanachsen wirklich sicher?

[DerUnbeugsame]

Hallo zusammen,

ich hatte jetzt mal ne Titanachsen in der Hand und habe mal ein bisschen "gebogen". Das geht ja deutlich leichter, schneller, als bei Stahlachsen. Die Titanachsen haben auch einen deutlich kleineren Durchmesser. Da frage ich mich natürlich, ob die Titanachsen überhaupt so sicher und stabil sind, wie Stahlachsen?

Was meint ihr?

Bitte um eure Antworten.

Vielen Dank im Voraus.

Schöne Grüße

DU

 

[12die4]

Du redest vermutlich von Leichtbau-Schnellspannern, oder?
Da Schnellspanner-Achsen immer nur auf Zug und nie auf Biegung belastet werden, ist dein Handtest leider unnütz.
Titan hat, je nach Legierung ähnliche Streckgrenzen wie Stahl. In der Regel dabei aber eine höhere Dehnung, d.h. das Material gibt etwas mehr nach, ist aber genauso haltbar. Das ist aber natürlich stark von der genauen Legierung abhängig (genauso wie bei Stahl). Daher lässt sich keine genaue Aussage treffen. Ein weiterer Unterschied bei Titan und Stahl ist, dass Stahl eine Molekülstruktur im kubisch-raumzentrierten Gitter annimmt, Titan ein hexagonales Gitter. Bei letzterem ist die Moleküldichte geringer, was auch teilweise den Gewichtsvorteil erklärt. Beide sind aber, anders als das kubisch-flächenzentrierte Gitter von Alu-Legierungen, sehr gut dauerfest. Hier gibt es also keinen klaren Sieger.
Entscheidend sind a) Legierung und b) Verarbeitung.

 

[erborow]

entscheidend ist bei der wahl der materialien die Speziefische festigkeit.
die gibt an, wie fest ein stoff in relation zu seinem gewicht ist. ( http://de.wikipedia.org/wiki/Spezifische_Festigkeit )

und die ist bei titan meines wissen nach höher als bei stahl.
hab jetzt leider keine schöne tabelle im internet gefunden.

allerdings hängt die steifigkeit und stabilität auch von der bauweise und der menge des verwendeten materials ab.
so sind zB viele carbon cc rahmen gewichtsmäßig am limit gebaut und geben dadurch belastungen schneller nach, als ein schwerer downhill rahmen aus aluminium. obwohl carbon eigenlich eine höhere speziefische festigkeit hat.

um dann nochmal auf deine frage zurück zu kommen: es kann gut sein, das eine dünnere und leichtere titanachse weniger steif und fest ist, als eine schwerere und dickere stahl oder aluminium achse ist.
die verwendung von titan bring in in unterschiedlichem maße entweder gewichtsersparniss oder höhere festigkeit.
ob das noch stabil (genug) und somit sicher ist hängt dann natürlich vom individuellen produkt und einsatzbereich ab.

PS: ich bin weder physik professor, noch besonders uneinsichtig, also korrigiert mich bitte, wenn ich jetzt was falsches geschrieben habe.

 

[Child3k]

PS: ich bin weder physik professor, noch besonders uneinsichtig, also korrigiert mich bitte, wenn ich jetzt was falsches geschrieben habe.

Es heißt "entscheidend" ...

 

[Berrrnd]

entscheident ist bei der wahl der materialien die Speziefische festigkeit.

ist das in diesem fall so?

wie in deinem link beschrieben spielt die spezifische festigkeit dann eine rolle, wenn der bauraum nicht beliebig gewählt werden kann.



12die4 hat eigentlich schon alles gesagt.

 

[prince67]

In der Regel dabei aber eine höhere Dehnung, d.h. das Material gibt etwas mehr nach, ist aber genauso haltbar. Das ist aber natürlich stark von der genauen Legierung abhängig (genauso wie bei Stahl).

Wenn wir schon beim Klaugsch***en sind, bei Stahl ist die Dehnung (E-Modul) relativ unabhänig von der Legierung.

 

[12die4]

@prince67: Das wollte ich damit auch nicht ausdrücken. Könnte man aber falsch verstehen, da hast du Recht.

 

[bastl-axel]

Hochwertiger Stahl ist härter als Titan. Stahl hat eine Zugfestigkeit von 350-540 N/mm² als Baustahl. Sogenanntes Flugzeug-Aluminium hat aber auch schon 520-560 N/mm². "Normale" 8.8 Stahlschrauben haben 800 N/mm², 10.9 1000 N/mm² und 12.9 sogar 1200 N/mm². Es gibt sogar Stahl mit einer Zugfestigkeit von 140 N/mm² und mehr. Titan Grade 5 (ASTM B348: 895), die stabilste Titan-Legierung, hat aber nur ca 900 N/mm², besonders vergütet 1050 N/mm².
Titan in höchster Festigkeit ist also stabiler, als eine "normale" 8.8 Stahlschraube und fast genauso stabil wie eine 10.9 er-Stahlschraube. Manche Bolzen und Schrauben am Fahrrad sind aber schon 10.9 oder sogar 12.9. Eine 10.9-Schraube oder Bolzen durch Titan zu ersetzten wäre gerade noch Okay, aber das Material einer 12.9-Schraube oder Bolzen hat aber eine 20% höhere Festigkeit als Titan.

 

[Berrrnd]

sollte man bei solchen betrachtungen nicht besser die streckgrenze zum vergleich nehmen?

 

[bastl-axel]

Die Streckgrenze nicht mit dem Elastizitätsmodul verwechseln. Die Streckgrenze bezeichnet den Wert, wo sich ein Material bei starker Belastung nicht mehr zurückformt, sondern bleibend gestreckt/verformt bleibt. Das hängt aber mit der Zugfestigkeit zusammen und wird im Zugversuch ermittelt. Je höher aber die Zugfestigkeit ist, desto höher ist aber auch die Streckgrenze. An der Streckgrenze kommt das Elastizitätsmodul ins Spiel und das ist bei Titan etwas höher.

Da Schnellspanner-Achsen immer nur auf Zug und nie auf Biegung belastet werden, ist dein Handtest leider unnütz.
Titan hat, je nach Legierung ähnliche Streckgrenzen wie Stahl. In der Regel dabei aber eine höhere Dehnung, d.h. das Material gibt etwas mehr nach, ist aber genauso haltbar. Das ist aber natürlich stark von der genauen Legierung abhängig (genauso wie bei Stahl).

Eine Biegung ist auf der Außenseite immer eine Zugbelastung. Mit anderen Worten, bei höherer Zugfestigkeit lässt es sich auch schlechter biegen. Das sich der Titanstab bei gleicher Dicke wie der Stahlstab etwas leichter biegen lässt, liegt am höheren Elastizitätsmodul. Sonst gebe ich dir aber recht.

 

[12die4]

Zugfestigkeit ist aber irrelevant. Wenn überhaupt, dann geht es hier um die Streckgrenze. Da jede Belastung über die Streckgrenze hinaus, das Bauteil zwar nicht versagen lässt, aber bereits irreversible Verformungen und damit eine strukturelle Schwächung bewirkt. Wenn man es genau nimmt, muss aber die Dauerfestigkeit als Vergleichsmaß angesetzt werden. Die liegt nochmal deutlich niedriger als die Streckgrenze und ist von der Mittelspannung abhängig. Daher lässt sie sich nicht in einem bloßen Zahlenwert ausdrücken. Stattdessen wird in Versuch ein sog. Smith-Diagramm ermittelt.
Das ist aber alles graue Theorie. Praktisch wage ich zu bezweifeln, dass am Fahrrad wirklich High-Tech Stähle mit 1200 MPa Zugfestigkeit oder mehr eingesetzt werden. In diesen Bereichen wird der gute alte "günstige" Stahl nämlich schnell sehr sehr teuer. Die Verarbeitung wird ebenfalls aufwendiger, die Zerspanbarkeit nimmt ab, etc pp. 10.9er Schrauben kommen durchaus vor, das ist korrekt. 12.9er Schrauben habe ich am Fahrrad dagegen noch nie gesehen. Sind auch nicht wünschenswert, da hier umso mehr gilt "nach fest kommt ab". Daher werden solche Schrauben idR Drehmoment- und Drehwinkel-gesteuert angezogen. Für den normalen Fahrradladen alles andere als praktikabel.

Achja, Titan gibt es auch mit über 1200MPa Zugfestigkeit. Siehe TiV13Cr11Al3.

 

[bastl-axel]

An meiner Sattelstütze und auch an der Kurbel habe ich aber doch 12.9er Schrauben. Das es Titan mit einer noch höheren Festigkeit gibt, wusste ich gar nicht, aber hochlegierter Stahl ist immer noch stabiler, härter. Das an manchen Stellen 12.9er Stahl verwendet wird, liegt wohl eher daran, das der an dieser Stelle auf Scherung beansprucht wird und die Scherfestigkeit ist in der Regel 20% niedriger. Dann braucht man allerdings zur Sicherung eine selbstsichernde Mutter oder ähnliches. Oder auf der 12.9er-Achse läuft direkt ein Gleitlager. Dann ist wegen der höheren Oberflächenhärte der Verschleiß deutlich geringer.
Will dich nicht belehren, dafür hast du selbst zu viel Ahnung, aber andere könnten dies falsch beurteilen. Deshalb wollte ich dies noch mal spezifizieren.

 

[Epic-Treter]

Hochwertiger Stahl ist härter als Titan.

Was hat denn die Härte mit der Fragestellung zu tun?

 

[bastl-axel]

Hast du eine andere Frage gelesen als ich?

...Da frage ich mich natürlich, ob die Titanachsen überhaupt so sicher und stabil sind, wie Stahlachsen...

Und Härte und Zugfestigkeit gehen Hand in Hand. Ein Werkstoff mit geringer Zugfestigkeit hat keine große Oberflächenhärte. Mal das Härten und Vergüten außen vor gelassen.

 

[Epic-Treter]

Ich habe schon die gleiche Frage gelesen. Wie du richtig bemerkt hast, lassen sich Materialeigenschaften durch Wärmebehandlungen beeinflussen. Eine Schraubverbindung allein auf die Zugfestigkeit oder Härte oder Scherfestigkeit zu reduzieren, ist meiner Meinung nach zu einfach, da gerade beim Schnellspanner mehrere Faktoren auftreten. Was ist mit eingeleiteten Querkräften oder der Vorspannung? Was ist mit der zulässigen Wechselfestigkeit?

 

[12die4]

Stimmt nicht ganz. Die Härte ist eher abhängig von der Sprödigkeit des Werkstoffs. Je spröder, desto härter passt (mit ein paar Ausnahmen) besser. Vergleiche zum Beispiel einfaches Lamellargraphit mit Baustahl. EN-GJL-250 hat eine Brinell-Härte von 150-200HB. S250 (also dieselbe Zugfestigkeit) liegt bei ca 60-70HB.

 

[hiTCH-HiKER]

Wahrscheinlich ist es in der Praxis relevanter ob etwa die Verschraubung der Achse hochwertig ist und sich nicht von selbst löst als die Güte des Stahl oder Titan, da beides mehr als genug Reserven für den Einsatzzweck bietet.