什麼是材料選擇圖(Ashby圖)

以雙對數軸取楊氏模數與密度等2種性質,描繪各材料群範圍的圖。性能指標固定的線為直線,用於比較候選材料。

日文名稱: 材料選択図(アシュビーの図)

「材料選擇圖(Ashby圖)」出現在1領域的1道練習題中(材料選擇與設計等)。

這個名詞所屬的領域: 材料選擇與設計

圖的讀法

材料選擇圖是以楊氏模數與密度、強度與密度、破壞韌性與強度等2種性質為縱軸與橫軸,描繪大量材料數值範圍的圖。數值跨越好幾個數量級,因此兩軸都取對數刻度。同一材料群聚集在相近的位置,在楊氏模數對密度的圖中,陶瓷與金屬位於右上,高分子與木材位於中間,發泡體位於左下區域。個別材料以橢圓或泡泡形狀表示因成分或加工而離散的範圍,材料群則以包住它們的大區域表示。

導引線與性能指標

把性能指標固定的條件以對數表示,就成為直線。例如 E/ρ = C 時 log E = log ρ + log C,斜率為1;√E/ρ = C 時斜率為2;∛E/ρ = C 時斜率為3。位於平行於此線之線上的材料,在該用途中具有相同的性能,線往左上平行移動越多,性能越高。在圖上畫出這條線並逐步移動,留在線上方的材料就被篩選為有望的候選。斜率隨負荷方式改變,因此即使是同一張圖,勝出的材料也會隨用途而替換。

在選材程序中的角色

在Ashby方法中,首先將設計需求整理為功能、限制條件、目標與自由變數,以使用溫度或耐蝕性這類限制條件篩除候選。接著以由目標導出的性能指標為剩下的候選排序,最後針對排名在前的候選,調查加工成實際形狀的難易、接合、價格波動、使用實績等資料再做決定。材料選擇圖是以目視進行這種篩選與排序的工具。不從一開始就認定特定材料,而能跨越材料群綜觀候選,是使用此圖的一大優點。

練習材料選擇圖(Ashby圖)的題目

在縱軸為楊氏模數E、橫軸為密度ρ的雙對數材料選擇圖(Ashby圖)上,輕而剛之樑的性能指標 √E/ρ 固定的線(導引線)的斜率為下列何者?

  1. A1
  2. B2
  3. C1/2
查看答案與解析

正確答案:B. 2

設 √E/ρ = C(固定),則 E = C²ρ²,兩邊取對數得 log E = 2 log ρ + 2 log C,成為斜率2的直線。位於平行於此線之線上的材料性能相同,線往左上平行移動越多,√E/ρ 越大,也就是能把相同剛性的樑做得越輕的材料。斜率1是 E/ρ 固定(拉桿)的線,斜率3是 ∛E/ρ 固定(面板)的線。斜率1/2是把縱軸與橫軸弄反、讀成 log ρ = (1/2) log E + 常數 之斜率的錯誤。在雙對數圖上,性能指標中次方的差異會表現為線的斜率差異,因此可在1張圖上讀出各種負荷方式下材料的排序。

常見問題

為什麼使用雙對數軸?

因為楊氏模數從發泡體的約0.001 GPa到鑽石的約1000 GPa,跨越好幾個數量級。此外,乘冪形式的性能指標可以用直線表示,比較變得簡單。

可以只靠圖的值決定材料嗎?

不行。圖是篩選候選的工具,值是材料群的代表性範圍。最後要調查具體合金或品種的數據、加工方法、成本與實績再做決定。

也有使用強度的圖嗎?

有。在強度對密度的圖中畫 σf/ρ 或 ∛(σf²)/ρ 的導引線,在破壞韌性對強度的圖中畫 K_IC/σy 的線,尋找輕而強的材料或不易破壞的材料。

出現「材料選擇圖(Ashby圖)」的題目(1題)

  1. 在縱軸為楊氏模數E、橫軸為密度ρ的雙對數材料選擇圖(Ashby圖)上,輕而剛之樑的性能指標 √E/ρ 固定的線(導引線)的斜率為下列何者?

相關名詞

楊氏模數 比剛性 生命週期評估 材料選擇的性能指標 柏拉圖最適 破壞前降伏 殘留雜質元素(tramp element)

前往名詞解釋列表