Ominaisuuskaaviot

Insinöörit vertailevat satoja materiaaleja kerralla ominaisuuskaavion avulla. Sitä kutsutaan usein myös Ashbyn kaavioksi insinööri Michael Ashbyn mukaan, joka kehitti idean. Jokainen materiaali näkyy kartalla läiskänä. Klassisessa kaaviossa tiheys on vaaka-akselilla ja Youngin moduuli (jäykkyys, joka esiteltiin Maailmassa 2) pystyakselilla.

Molemmat akselit ovat logaritmisia. Logaritmisella akselilla jokainen yhtä suuri askel tarkoittaa ”kertaa 10” eikä ”plus 10”. Se on ainoa tapa mahduttaa vaahtomuovi (erittäin kevyt ja hyvin taipuisa) ja teräs (raskas ja jäykkä) samalle sivulle, koska niiden arvot eroavat tuhansien kertoimella.

Katso, mihin materiaalit sijoittuvat. Saman perheen materiaalit ryhmittyvät yhteen: polymeerit ovat jäykkyydeltään pieniä, metallit muodostavat raskaan ja jäykän ryhmän, keramiikat ja lasit ovat jäykkiä, ja puut sekä vaahtomuovit ovat kevyitä. Tyypillisiä suuntaa-antavia arvoja:

• Vaahtomuovit: tiheys noin 10–100 kg/m³, jäykkyys selvästi alle 1 GPa.
• Puut (syiden suuntaisesti): noin 300–1 000 kg/m³, suunnilleen 5–20 GPa.
• Alumiiniseokset: noin 2 700 kg/m³, suunnilleen 70 GPa.
• Teräkset: noin 7 800 kg/m³, suunnilleen 200 GPa.
• Hiilikuitukomposiitit (säikeiden suuntaisesti): noin 1 500–1 600 kg/m³, suunnilleen 100–200 GPa.

Vasen yläkulma (kevyt ja jäykkä) on halutuin, ja siellä sijaitsevat hiilikuitu ja puu.

Kaaviossa on myös suuntaviivoja suunnittelua varten. Oletetaan, että tarvitset kevyen ja jäykän palkin, joka taipuu painoonsa nähden mahdollisimman vähän. Teorian mukaan parhaita materiaaleja ovat ne, joilla on suurin arvo E^½ ÷ ρ (moduulin neliöjuuri jaettuna tiheydellä). Log-log-kaaviossa tämä on kulmakertoimeltaan 2 oleva suora, joten voit siirtää suoraa kartalla ja katsoa, mitkä materiaalit jäävät sen yläpuolelle.

Esimerkki tyypillisillä arvoilla, yksiköissä GPa^½ per (Mg/m³): teräs 14 ÷ 7,85 on noin 1,8; alumiini 8,3 ÷ 2,7 on noin 3,1; tammi syiden suuntaisesti 3,5 ÷ 0,7 on noin 5; hiilikuitukomposiitti 11,8 ÷ 1,55 on noin 7.6. Kun palkin jäykkyys on sama, hiilikuitu ja puu ovat alumiinia kevyempiä, ja alumiini on terästä kevyempää.