Egenskapsdiagram

Ingenjörer jämför hundratals material samtidigt med ett egenskapsdiagram, som ofta kallas ett Ashby-diagram efter ingenjören Michael Ashby, som utvecklade idén. Varje material blir en klump på en karta. Ett klassiskt diagram har densitet på den horisontella axeln och Youngs modul (styvhet, som introducerades i Värld 2) på den vertikala axeln.

Båda axlarna är logaritmiska. På en logaritmisk axel betyder varje lika stort steg ”gånger 10” i stället för ”plus 10”. Det är det enda sättet att få plats med skum (mycket lätt och mycket mjukt) och stål (tungt och styvt) på en sida, eftersom deras värden skiljer sig åt med tusentals gånger.

Titta på var sakerna hamnar. Material från samma familj samlas tillsammans: polymerer hamnar lågt när det gäller styvhet, metaller hamnar i en tung och styv grupp, keramer och glas är styva, och trä och skum är lätta. Typiska ungefärliga intervall:

• Skum: densitet cirka 10 till 100 kg/m³, styvhet långt under 1 GPa.
• Trä (längs fiberriktningen): cirka 300 till 1 000 kg/m³, ungefär 5 till 20 GPa.
• Aluminiumlegeringar: cirka 2 700 kg/m³, ungefär 70 GPa.
• Stål: cirka 7 800 kg/m³, ungefär 200 GPa.
• Kolfiberkompositer (längs fibrerna): cirka 1 500 till 1 600 kg/m³, ungefär 100 till 200 GPa.

Det övre vänstra hörnet (lätt och styvt) är det mest önskvärda, och där finns kolfiber och trä.

Diagrammet har också riktlinjer för konstruktion. Anta att du behöver en lätt, styv balk som böjer sig så lite som möjligt i förhållande till sin vikt. Teorin säger att de bästa materialen är de som har det största värdet av E^½ ÷ ρ (kvadratroten av modulen dividerad med densiteten). På ett log-log-diagram är detta en rät linje med lutningen 2, så du kan flytta en linje över kartan och se vilka material som ligger ovanför den.

Genomarbetat exempel med typiska värden, i enheten GPa^½ per (Mg/m³): stål 14 ÷ 7,85 är ungefär 1.8; aluminium 8,3 ÷ 2,7 är ungefär 3.1; ek längs fiberriktningen 3,5 ÷ 0,7 är ungefär 5; kolfiberkomposit 11,8 ÷ 1,55 är ungefär 7.6. För en balk med samma styvhet är kolfiber och trä lättare än aluminium, och aluminium är lättare än stål.