물성 차트

엔지니어는 물성 차트를 사용해 한 번에 수백 가지 물질을 비교합니다. 이 차트는 아이디어를 만든 엔지니어 Michael Ashby의 이름을 따서 Ashby 차트라고도 합니다. 각 물질은 지도 위의 하나의 덩어리로 표시됩니다. 대표적인 차트에서는 수평축에 밀도, 수직축에 영률(강성, World 2에서 소개)을 표시합니다.

두 축 모두 로그 축입니다. 로그 축에서는 같은 한 단계가 “10을 곱하기”를 뜻하며, “10을 더하기”를 뜻하지 않습니다. 거품처럼 가볍고 매우 휘기 쉬운 물질과 강철처럼 무겁고 강성이 큰 물질을 한 페이지에 표시하려면 이 방법이 유일합니다. 두 물질의 값이 수천 배나 다를 수 있기 때문입니다.

물질이 어디에 분포하는지 살펴보세요. 같은 계열의 물질은 서로 모여 있습니다. 고분자는 강성이 낮은 곳에 있고, 금속은 무겁고 강성이 큰 그룹에 있으며, 세라믹과 유리는 강성이 높고, 목재와 거품은 가볍습니다. 대표적인 대략적 범위는 다음과 같습니다.

• 거품: 밀도 약 10~100 kg/m³, 강성은 1 GPa보다 훨씬 낮음.
• 목재(결을 따라): 약 300~1,000 kg/m³, 약 5~20 GPa.
• 알루미늄 합금: 약 2,700 kg/m³, 약 70 GPa.
• 강철: 약 7,800 kg/m³, 약 200 GPa.
• 탄소 섬유 복합재(섬유를 따라): 약 1,500~1,600 kg/m³, 약 100~200 GPa.

왼쪽 위 모서리(가볍고 강성이 큰 곳)가 가장 선호되는 영역이며, 탄소 섬유와 목재가 이곳에 있습니다.

이 차트에는 설계를 위한 기준선도 있어. 무게에 비해 최대한 덜 휘는 가볍고 강성이 높은 보가 필요하다고 해 보자. 이론에 따르면 E^½ ÷ ρ의 값이 가장 큰 재료가 가장 좋아. (탄성률의 제곱근을 밀도로 나눈 값이야.) 로그-로그 차트에서 이 기준은 기울기가 2인 직선이야. 그러니 지도 위로 직선을 옮겨 가며 어떤 재료가 그 선 위에 있는지 살펴보면 돼.

대표적인 값을 사용한 예제야. 단위는 GPa^½ per (Mg/m³)이야. 강철은 14 ÷ 7.85로 약 1.8, 알루미늄은 8.3 ÷ 2.7로 약 3.1, 결 방향으로 측정한 참나무는 3.5 ÷ 0.7로 약 5, 탄소 섬유 복합재는 11.8 ÷ 1.55로 약 7.6이야. 강성이 같은 보라면 탄소 섬유와 나무가 알루미늄보다 가볍고, 알루미늄이 강철보다 가벼워.