Карты свойств

Инженеры сравнивают сотни материалов одновременно с помощью диаграммы свойств, которую часто называют диаграммой Эшби в честь инженера Майкла Эшби, разработавшего эту идею. Каждый материал превращается в пятно на карте. На классической диаграмме по горизонтальной оси откладывают плотность, а по вертикальной — модуль Юнга (жёсткость, о которой мы говорили в Мире 2).

Обе оси логарифмические. На логарифмической оси каждый одинаковый шаг означает «умножить на 10», а не «прибавить 10». Только так на одной странице можно разместить пеноматериал (очень лёгкий и очень мягкий) и сталь (тяжёлая и жёсткая), потому что их значения отличаются в тысячи раз.

Посмотри, где расположены разные материалы. Материалы одного семейства собираются в группы: полимеры имеют низкую жёсткость, металлы образуют тяжёлую и жёсткую группу, керамика и стекло жёсткие, а древесина и пеноматериалы лёгкие. Примерные диапазоны:

• Пеноматериалы: плотность примерно от 10 до 100 kg/m³, жёсткость намного меньше 1 GPa.
• Древесина (вдоль волокон): примерно от 300 до 1 000 kg/m³, примерно от 5 до 20 GPa.
• Алюминиевые сплавы: примерно 2 700 kg/m³, примерно 70 GPa.
• Стали: примерно 7 800 kg/m³, примерно 200 GPa.
• Композиты из углеродного волокна (вдоль волокон): примерно от 1 500 до 1 600 kg/m³, примерно от 100 до 200 GPa.

Верхний левый угол (лёгкие и жёсткие материалы) — самый желанный, и именно там находятся углеродное волокно и древесина.

На графике также есть ориентиры для проектирования. Представь, что тебе нужна лёгкая, жёсткая балка, которая как можно меньше сгибается при своём весе. Теория говорит, что лучше всего подходят материалы с наибольшим значением E^½ ÷ ρ (квадратный корень из модуля, делённый на плотность). На логарифмическом графике это прямая линия с наклоном 2, поэтому можно перемещать линию по карте и смотреть, какие материалы находятся выше неё.

Пример с типичными значениями в единицах GPa^½ на (Mg/m³): сталь 14 ÷ 7,85 — примерно 1,8; алюминий 8,3 ÷ 2,7 — примерно 3,1; дуб вдоль волокон 3,5 ÷ 0,7 — примерно 5; углепластик 11,8 ÷ 1,55 — примерно 7.6. Для балки одинаковой жёсткости углепластик и древесина легче алюминия, а алюминий легче стали.