Egenskabsdiagrammer

Ingeniører sammenligner hundredvis af materialer på én gang med et egenskabsdiagram, ofte kaldet et Ashby-diagram efter ingeniøren Michael Ashby, som udviklede idéen. Hvert materiale bliver til en plet på et diagram. Et klassisk diagram har densitet på den vandrette akse og Youngs modul (stivhed, introduceret i Verden 2) på den lodrette akse.

Begge akser er logaritmiske. På en logaritmisk akse betyder hvert lige store trin »gange 10« i stedet for »plus 10«. Det er den eneste måde at få skum (meget let og meget eftergiveligt) og stål (tungt og stift) med på samme side, fordi deres værdier er forskellige med faktorer på tusindvis.

Se på, hvor tingene ligger. Materialer fra samme familie samler sig: polymerer ligger lavt med hensyn til stivhed, metaller ligger i en tung, stiv gruppe, keramik og glas er stive, og træ samt skum er lette. Typiske, omtrentlige intervaller:

• Skum: densitet omkring 10 til 100 kg/m³, stivhed langt under 1 GPa.
• Træ (langs årene): omkring 300 til 1.000 kg/m³, cirka 5 til 20 GPa.
• Aluminiumlegeringer: omkring 2.700 kg/m³, cirka 70 GPa.
• Stål: omkring 7.800 kg/m³, cirka 200 GPa.
• Kulstoffiberkompositter (langs fibrene): omkring 1.500 til 1.600 kg/m³, cirka 100 til 200 GPa.

Det øverste venstre hjørne (let og stift) er det mest eftertragtede, og det er her, kulstoffiber og træ ligger.

Diagrammet har også retningslinjer til design. Forestil dig, at du skal bruge en let, stiv bjælke, der bøjer så lidt som muligt i forhold til sin vægt. Teorien siger, at de bedste materialer er dem med den største værdi af E^½ ÷ ρ (kvadratroden af modulet divideret med densiteten). På et log-log-diagram er dette en ret linje med hældningstal 2, så du kan flytte en linje hen over diagrammet og se, hvilke materialer der ligger over den.

Regneeksempel med typiske værdier i enhederne GPa^½ per (Mg/m³): stål 14 ÷ 7,85 er cirka 1,8; aluminium 8,3 ÷ 2,7 er cirka 3,1; eg langs årene 3,5 ÷ 0,7 er cirka 5; kulstoffiberkomposit 11,8 ÷ 1,55 er cirka 7.6. For en bjælke med samme stivhed er kulstoffiber og træ lettere end aluminium, og aluminium er lettere end stål.