Wykresy właściwości.

Inżynierowie porównują jednocześnie setki materiałów za pomocą wykresu właściwości, często nazywanego wykresem Ashby’ego — od nazwiska inżyniera Michaela Ashby’ego, który opracował ten pomysł. Każdy materiał staje się punktem na mapie. Na klasycznym wykresie gęstość znajduje się na osi poziomej, a moduł Younga (sztywność, wprowadzona w Świecie 2) na osi pionowej.

Obie osie są logarytmiczne. Na osi logarytmicznej każdy równy krok oznacza „razy 10”, a nie „plus 10”. Tylko w ten sposób można zmieścić na jednej stronie piankę (bardzo lekką i bardzo miękką) oraz stal (ciężką i sztywną), ponieważ ich wartości różnią się tysiące razy.

Przyjrzyj się, gdzie znajdują się poszczególne materiały. Materiały z tej samej rodziny grupują się razem: polimery mają małą sztywność, metale tworzą grupę ciężkich i sztywnych materiałów, ceramika i szkło są sztywne, a drewno i pianki są lekkie. Typowe przybliżone zakresy:

• Pianki: gęstość około 10 do 100 kg/m³, sztywność znacznie poniżej 1 GPa.
• Drewno (wzdłuż włókien): około 300 do 1 000 kg/m³, mniej więcej 5 do 20 GPa.
• Stopy aluminium: około 2 700 kg/m³, mniej więcej 70 GPa.
• Stale: około 7 800 kg/m³, mniej więcej 200 GPa.
• Kompozyty z włókien węglowych (wzdłuż włókien): około 1 500 do 1 600 kg/m³, mniej więcej 100 do 200 GPa.

Lewy górny róg (lekki i sztywny) jest najbardziej pożądany — właśnie tam znajdują się włókna węglowe i drewno.

Wykres zawiera także linie pomocnicze przydatne w projektowaniu. Załóżmy, że potrzebujesz lekkiej, sztywnej belki, która pod wpływem swojego ciężaru ugina się jak najmniej. Z teorii wynika, że najlepsze materiały mają największą wartość E^½ ÷ ρ (pierwiastek kwadratowy z modułu podzielony przez gęstość). Na wykresie log-log jest to prosta o nachyleniu 2, więc możesz przesuwać prostą po mapie i sprawdzać, które materiały znajdują się nad nią.

Przykład z typowymi wartościami, w jednostkach GPa^½ na (Mg/m³): stal 14 ÷ 7,85 to około 1,8; aluminium 8,3 ÷ 2,7 to około 3,1; dąb wzdłuż włókien 3,5 ÷ 0,7 to około 5; kompozyt z włókien węglowych 11,8 ÷ 1,55 to około 7.6. Przy tej samej sztywności belki z włókien węglowych i drewna są lżejsze od aluminium, a aluminium jest lżejsze od stali.