Staal in de framebouw

 We spannen een staaf constructiestaal met een lengte van 100 mm en 10mm² doorsnede in een trekbank. We verhogen de trekkracht steeds met 50 N/mm². Na iedere verhoging meten we hem. De resultaten zetten we uit in een grafiek (zie FIG.1). De eerste drie maal zal de staaf wel rekken in de trekbank, maar als we hem eruit halen, blijkt hij niet langer te zijn. We noemen dit elastische rek. Pas bij 200 N/mm² blijkt de staaf 0,2mm langer te zijn geworden (dit is 0,2%). Dit noemen we permanente rek; we spreken van de rekgrens of R0,2. Bij 250 N/mm² doet zich een ander verschijnsel voor. De staaf rekt terwijl de kracht erop niet toeneemt; dit noemen we de vloeigrens. Bij 300 N/mm² is de staaf 105mm lang; als we nu verder trekken, zal de staaf bij 360 N/mm² beginnen in te snoeren en breken. Geven we deze staaf aan een collega, als nieuw meetexemplaar, dan zal hij constateren dat de rekgrens van deze staalsoort hoger is dan die van constructiestaal; verder heeft het staal geen vloeigrens, de rek voor breuk is gering, en de treksterkte is hoger. Dit noemt men koudverstevigen; het wordt bereikt door de buis over doorns te trekken en op te rekken. Als we een metalen buis buigen, zal in de “buitenbocht” rek optreden, en in de “binnenbocht” druk. Door de rek zal er koudversteviging plaatsvinden; de kristalstructuur van de buitenbocht wordt daardoor harder en brosser. Dit is de verklaring van het breken van metaaldraad door heen en weer buigen.

  Er zijn ook andere methodes om de sterkte van metalen te verbeteren, zoals legeren en warmte-behandelen. Om te begrijpen hoe dit werkt, moeten we verschillende types micro-structuren in vaste stoffen bekijken. Glas is amorf d.w.z. de moleculen bezitten geen regelmatige posities t.o.v. elkaar. De meeste stoffen, ook metalen, zijn kristallijn d.w.z. de atomen zijn volgens vaste patronen gerangschikt. Dit kan volgens drie structuren:  1. Kvg (kubische vlakken gecentreerd o.a. koper, alfa‑ijzer); 2. Krg (kubisch ruimtelijk gecentreerd o.a. gamma‑ijzer, molybdeen); 3. Hds (hexagonale dichtste stapeling o.a. beryllium, magnesium).

   De kvg en hds structuur zijn maximaal dichte stapelingen: de vulgraad is 74%; bij de krg structuur is de vulgraad 68%. Elke moleculenstructuur bevat dus altijd gaten: de zogenaamde intersitiële ruimtes; deze kunnen andere atomen bevatten. In een stapeling van atomen kan een lege plaats voorkomen (een vacature) of een vreemd atoom (een substitutie). Met een algemene term noemen we deze fouten “dislocaties”. Als de temperatuur hoger wordt, nemen door de bewegingen van atomen de vacatures in aantal toe. Substitutionele en intersitiële atomen kunnen zich via vacatures verplaatsen (diffusie).

   In metalen ontstaan onder belasting zichzelf verplaatsende dislocaties; deze vervormen het rooster zo sterk, dat ze hun eigen beweging hinderen. Er moet voor verdere vervorming steeds meer energie worden toegevoerd; daarom is de breuk-energie van metalen zo hoog. De vervorming van het rooster verklaart de versteviging die optreedt: hardheid en treksterkte nemen toe, de rek af. Alle vreemde atomen hebben invloed op de dislocatiebewegingen. Op deze manier neemt door legeren (het mixen van metaalmoleculen) de rekgrens en treksterkte toe, zeker als die atomen in groepjes voorkomen. Dit bereikt men o.a. door warmtebehandeling (de diffusie verloopt dan sneller)!   

   Door legeren, kan men de materiaaleigenschappen van metalen dus verbeteren; andere methodes hiervoor zijn koudverstevigen (mechanische bewerking o.a. het “trekken” van buis), of veredelen (warmtebehandeling). Vaak zal men een combinatie van deze drie methodes kiezen. De kristalstructuren van legeringen zijn erg belangrijk voor de eigenschappen ervan. Als we een legering hebben, bestaande uit metalen A en B, zijn er 3 mogelijkheden: 1.Metaal A en B lossen in elkaar op.  2.Metaal A en B lossen niet in elkaar op.  3.Metaal A en B lossen deels in elkaar op.

    Bij staal is er boven de 723°C een overgang in de kristalstructuur van de α-fase naar de γ-fase. Als we staal snel afkoelen, kan er een brosse structuur ontstaan. De framebouwer wil vooral een taaie buis hebben; het is dus zaak de afkoeling zo langzaam mogelijk te laten verlopen. Naarmate er meer koolstof in staal zit, wordt dit gevoeliger voor (te) snelle afkoeling. Om de kristalstructuur niet te veranderen, kan men een zilver­soldeer kiezen met een laag smeltpunt, of een verbindingsmethode zonder warmte-inbreng zoals lijmen.

    Kwaliteitsbuizen voor fietsframes hebben een veel hogere rekgrens en treksterkte dan constructiestaal. In het algemeen hebben ze nauwelijks een vloeigrens en de rekgrens (R0,2) ligt dichtbij de maximale treksterkte (Rm). Buizen van constructiestaal zijn vervaardigd uit een gelaste strip en hebben dus een lasnaad. Naadloze buizen zijn duurder, maar homogener van structuur. Alle topbuizen zijn dus naadloos. Gewoonlijk worden ze “butted” uitgevoerd: de uiteindes worden verdikt en soms brengt men er nog een verstevigingsprofiel in aan. Als beide zijden versterkt worden, noemt men dat “double butted” en als een verdikking extra dik is “triple butted”. De zitbuis is gewoonlijk “single butted”. De voornaamste reden om buizen butted uit te voeren, is de verwachte nadelige invloed van solderen of lassen. Een buis die verlijmd wordt, kan gelijkmatig van dikte zijn (plain). De stijfheid van een frame wordt bepaald door het dunne middenstuk! De wanddikte Reynolds 853 is 0,45mm in het midden en 0,65mm butt; de wanddikte Reynolds 725 is gewoonlijk 0,5mm in het midden en 0,7mm butt. Bij de huidige bestellijsten van Reynolds is er meer keuze in wanddiktes bij hetzelfde type buis. Bij Columbus is de keuze voor een klassieke stalen voorvork nagenoeg onmogelijk (alleen oude voorraad).

   Laaggelegeerde staalsoorten bevatten als voornaamste legeringselementen koolstof C, chroom Cr, mangaan Mn, en molybdeen Mo. Een hoog koolstofgehalte (>0,2%) levert een sterkere buis, maar de buis wordt gevoelig voor snelle afkoeling na lassen of solderen: er kunnen brosse plekken ontstaan bij de overgang naast de verhitte plaats! Las nooit gewoon staal aan RVS, want het koolstof uit het staal zal brosse chroom-carbides vormen met het chroom uit het RVS; die lasnaad scheurt gegarandeerd. Solderen met zilversoldeer is wel goed mogelijk. Bij het aanduiden van laaggelegeerde staalsoorten geeft men vaak een formule b.v. 34 Cr Mo 4 (Oria). Het getal 34 geeft het koolstofgehalte in honderdsten procenten, 0,34 (hoog!). Chroom is ‘t volgende legeringselement; daarna molybdeen. De 4 slaat op het Cr-gehalte (4/4=1%). Het molybdeen gehalte is niet gespecificeerd.  Een legering die veel gebruikt wordt, is 25CrMo4, (= AISI 4130). Vrijwel alle fabrikanten hebben hier varianten van, in hun assortiment; het is geschikt voor lassen en solderen.

Er is een nieuwe generatie staalsoorten voor TIG-lassen, waaronder Reynolds 853 en Dedaccai 18MCDV6HT. Deze warmtebehandelde buizen harden na het lasproces uit, zodat de verbinding de sterkste plaats wordt in de constructie; dat zien we graag. Er komen nog steeds nieuwe staalsoorten op de markt, er is dus nog steeds ontwikkeling!

 Hooggelegeerde staalsoorten zijn heel gevoelig voor koolstof. Bij verwarming boven 450°C scheiden zich langs de kristalgrenzen chroomcarbides af, die aanleiding kunnen geven tot brosse breuk bij wisselende belastingen. Voor lassen of solderen mag het koolstofgehalte niet hoger zijn dan 0,05%; we kunnen dit wel iets verhogen door sterke carbidevormers als titanium of niobium toe te voegen. In DIN‑ en Euro­normen wordt hooggelegeerd staal aangeduid door de hoofdletter X, gevolgd door het koolstofgehalte in honderdsten van procenten, daarna het hoofdlegeringselement (gewoonlijk Cr) en de andere legeringselementen. Hierna volgen getallen die het percentage van de legeringselementen aangeven. Er wordt en werd niet zo veel met roestvaststaal  gebouwd; wij delen RVS in 3 groepen in: