แผนภูมิคุณสมบัติ

วิศวกรเปรียบเทียบวัสดุหลายร้อยชนิดพร้อมกันด้วย แผนภูมิคุณสมบัติ ซึ่งมักเรียกว่า แผนภูมิ Ashby ตามชื่อวิศวกร Michael Ashby ผู้พัฒนาแนวคิดนี้ วัสดุแต่ละชนิดจะแสดงเป็นกลุ่มก้อนบนแผนที่ แผนภูมิแบบคลาสสิกจะมี ความหนาแน่น อยู่บนแกนแนวระดับ และมี มอดูลัสของยัง (ความแข็งเกร็ง ซึ่งแนะนำไปแล้วในโลกที่ 2) อยู่บนแกนแนวดิ่ง

แกนทั้งสองเป็นแบบ ลอการิทึม บนแกนลอการิทึม แต่ละขั้นที่มีระยะเท่ากันหมายถึง “คูณ 10” ไม่ใช่ “บวก 10” นี่เป็นวิธีเดียวที่จะใส่โฟม (เบาและยวบมาก) กับเหล็กกล้า (หนักและแข็งเกร็ง) ไว้ในหน้าเดียวกันได้ เพราะค่าของทั้งสองชนิดต่างกันเป็นพันเท่า

ลองดูว่าของต่าง ๆ อยู่ตรงไหน วัสดุในตระกูลเดียวกันจะ เกาะกลุ่มกัน: พอลิเมอร์มีความแข็งเกร็งต่ำ โลหะจะอยู่ในกลุ่มที่หนักและแข็งเกร็ง เซรามิกและแก้วมีความแข็งเกร็งสูง ส่วนไม้และโฟมมีน้ำหนักเบา ช่วงค่าโดยประมาณทั่วไปมีดังนี้:

• โฟม: ความหนาแน่นประมาณ 10 ถึง 100 kg/m³ ความแข็งเกร็งต่ำกว่า 1 GPa มาก
• ไม้ (ตามแนวเสี้ยน): ประมาณ 300 ถึง 1,000 kg/m³ และประมาณ 5 ถึง 20 GPa
• โลหะผสมอะลูมิเนียม: ประมาณ 2,700 kg/m³ และประมาณ 70 GPa
• เหล็กกล้า: ประมาณ 7,800 kg/m³ และประมาณ 200 GPa
• คอมโพสิตเส้นใยคาร์บอน (ตามแนวเส้นใย): ประมาณ 1,500 ถึง 1,600 kg/m³ และประมาณ 100 ถึง 200 GPa

มุมซ้ายบน (เบาและแข็งเกร็ง) เป็นตำแหน่งที่ต้องการมากที่สุด และเป็นบริเวณที่เส้นใยคาร์บอนกับไม้อยู่

กราฟนี้ยังมี แนวทาง สำหรับการออกแบบด้วย สมมติว่าคุณต้องการ คาน ที่น้ำหนักเบาและแข็งเกร็ง ซึ่งจะโค้งงอน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับน้ำหนักของมัน ตามทฤษฎี วัสดุที่ดีที่สุดคือวัสดุที่มีค่า E^½ ÷ ρ สูงที่สุด (รากที่สองของมอดูลัสหารด้วยความหนาแน่น) บนกราฟลอการิทึม-ลอการิทึม ค่านี้แสดงเป็นเส้นตรงที่มีความชัน 2 ดังนั้นคุณจึงเลื่อนเส้นไปบนแผนภาพเพื่อดูว่าวัสดุใดอยู่เหนือเส้นนั้นได้

ตัวอย่างการคำนวณโดยใช้ค่าทั่วไป ในหน่วย GPa^½ ต่อ (Mg/m³): เหล็กกล้า 14 ÷ 7.85 ได้ประมาณ 1.8; อะลูมิเนียม 8.3 ÷ 2.7 ได้ประมาณ 3.1; ไม้โอ๊กตามแนวเสี้ยนไม้ 3.5 ÷ 0.7 ได้ประมาณ 5; วัสดุผสมเส้นใยคาร์บอน 11.8 ÷ 1.55 ได้ประมาณ 7.6 สำหรับคานที่มีความแข็งเกร็งเท่ากัน เส้นใยคาร์บอนและไม้มีน้ำหนักเบาอะลูมิเนียม และอะลูมิเนียมมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กกล้า