关于剪切模量

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钛与不锈钢：您应该选择哪一种？
当谈到我们日常生活中的金属时，不锈钢和钛是两种重量级的材料（或者我们应该说一种重，一种轻！）。从厨房用具和智能手机到珠宝和手表，这两种材料随处可见。它们耐冲击、耐用且高度耐腐蚀，这就是它们的应用经常重叠的原因。但哪一种更适合您的项目呢？本文详细介绍了每种材料的优点和局限性。从成本到可制造性，我们将介绍在不锈钢和钛之间进行选择时最重要的因素。不锈钢的特性不锈钢以铁和碳为原料，但其性能与“普通”钢非常不同，因为它含有大量的铬。铬在表面形成一层薄薄的保护性氧化层，这使得不锈钢具有标志性的耐腐蚀性。（如果您想快速了解不锈钢与其他钢系列的比较，请参阅我们的合金钢与不锈钢指南.) 不同牌号还可能包含镍、钼、锰、硅和氮等元素，以微调特定环境下的强度、成型性和性能。不锈钢的类型由于不锈钢可以通过多种方式进行合金化和加工，因此它们分为几个主要“系列”，主要按其微观结构进行分组。奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢家族。它以优异的耐腐蚀性、良好的延展性和强焊接性而闻名。在许多牌号中，铬通常在 ~16–26% 范围内，镍在 ~6–22% 范围内（很大程度上取决于牌号）。铬提供耐腐蚀性，而镍和/或氮有助于稳定奥氏体结构。 304（“18/8”不锈钢）是最常见的牌号之一，广泛用于食品设备、罐体、管道和建筑五金件。当担心接触氯化物或盐时，通常会选择 316。它含有钼，可以提高抗点蚀能力（这就是为什么它在消费者环境中通常被称为“海洋级”）。铁素体不锈钢通常具有磁性，主要依赖于铬，通常约为 10-30%，含低碳且几乎不含镍。它们通常具有中等至良好的耐腐蚀性和强氧化性，这使得它们适用于高温环境。铁素体不锈钢的热膨胀率也低于奥氏体不锈钢，有助于它们在重复的加热和冷却循环下表现良好。缺点是铁素体不锈钢往往比奥氏体不锈钢具有较低的延展性和韧性，这可能限制其在需要高成型性或耐重冲击性的应用中的使用。 409 是汽车排气部件的常见选择，因为它以合理的成本提供了坚实的抗氧化性。 430 广泛用于厨具、电器和装饰，其中中等耐腐蚀性和外观是优先考虑的。 444 是一种高合金铁素体牌号（通常为钼合金），用于改善与水接触和轻度氯化物相关的应用（例如管道和水加热设备）的腐蚀性能。 446 是一种高铬铁素体牌号，用于需要高温抗氧化性的热使用环境。马氏体不锈钢当您需要硬度时，是您的首选。与奥氏体和铁素体不锈钢不同，它可以淬火和回火，这就是为什么它常见于刀片和耐磨零件。常见的马氏体钢种含有大约 11–18% 的铬和较高的碳（有时高达 ~1.2%，具体取决于钢种），并且它们通常具有磁性。为了获得该硬度，您通常会放弃一些延展性和可焊性。耐腐蚀性通常低于 304 和 316 等日常奥氏体钢种，因此当磨损性能比最大耐腐蚀性更重要时，马氏体不锈钢最有意义。 410 是一种可热处理的通用马氏体牌号，用于需要强度、耐磨性和基本耐腐蚀性的平衡组合的部件。当需要更高硬度时，例如刀、剪刀和一些手术器械，通常指定 420。 440C 具有较高的碳含量，具有极高的硬度和耐磨性，通常用于优质刀片和某些轴承部件。当 304 或 316 等常见奥氏体钢种不够时，特别是在富含氯化物或高应力的应用中 —双相不锈钢是一个常见的进步。它具有平衡的两相微观结构（奥氏体和铁素体，大约 50/50）。这种结构提供了比典型奥氏体不锈钢更高的强度和强大的抗氯化物应力腐蚀开裂能力，同时还提高了在许多氯化物环境中的抗点蚀和缝隙腐蚀能力。双相不锈钢通常使用较高的铬（通常约为 20-28%），并可能添加钼和氮以提高耐腐蚀性能和强度。然而，它们确实需要在制造和焊接方面进行更严格的控制，并且成本通常超过 304/316。 2205 是管道、压力容器和船舶/化学服务中使用最广泛的双相不锈钢，在这些领域中，强度和耐氯化物性都很重要。 […]
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剪切模量，有时称为刚性模量，是一种基本材料特性，可在受剪切力时测量材料的刚性。用日常的话来说，它描述了一种物质在与另一部分平行滑动时塑造变化的耐药性。在本文中，我们将解释什么是剪切模量，计算方式以及与其他弹性模量的比较以及现实世界工程示例的比较。

什么是剪切模量？

在图中，将块固定在底部，同时平行于顶表面施加力F。该力导致水平位移ΔX，块变形为倾斜的形状。倾斜角θ表示剪切应变（γ），它描述了形状的变形程度。

剪切应力（τ）是施加的力除以表面积A的作用：力的作用：

τ= f / a

剪切应变（γ）是水平位移与块高度的比率：

γ=ΔX / L（对于小角度，弧度中的θ≈γ）

剪切模量（g）有时用μ或s表示，可以测量材料对这种类型的失真的耐药性。它被定义为剪切应力与剪切应变的比率：

g =τ /γ=（f / a） /（Δx / l）=（f·l） /（a·Δx）

在SI系统中，剪切模量的单位是Pascal（PA），它等于每平方米牛顿一个（N/m²）。由于Pascal是一个很小的单元，因此实心材料的剪切模量通常很大。因此，工程师和科学家通常在Gigapascals（GPA）中表达G，其中1 GPA =10⁹PA。

剪切模量值

下表显示了常见材料的典型剪切模量值：

材料	剪切模量（GPA）
铝	26–27
黄铜	35–41
碳钢	79–82
铜	44–48
带领	5–6
不锈钢	74–79
锡	〜18
钛（纯）	41–45
具体的	8–12
玻璃（苏打石）	26–30
木材（道格拉斯冷杉）	0.6–1.2
尼龙（未填充）	0.7–1.1
聚碳酸酯	0.8–0.9
聚乙烯	0.1–0.3
橡皮	0.0003–0.001
钻石	480–520

这些数字显示了刚性有多少材料。金属倾向于在数十千兆内的剪切模量。陶瓷和玻璃的范围相似，而混凝土却低一些。塑料通常大约1 GPA或更少。甚至更柔软的是橡胶和弹性体，仅在巨型范围内具有剪切模量。在最顶部，钻石达到了数百个千斤顶，是最僵硬的材料之一。

具有高剪切模量的材料强烈抵抗变形或扭曲。这就是为什么钢和钛合金在桥梁，建筑物和飞机框架等结构中至关重要的原因。它们的刚度可防止横梁和紧固件在重载下弯曲或剪切。玻璃和陶瓷虽然脆弱，但也受益于相对较高的模量。它可以帮助他们在镜头和半导体晶圆等应用中保持精确的形状。钻石具有很高的剪切模量，即使在大力下，也几乎没有弹性应变。这就是为什么钻石切割工具保持锋利的原因。

另一方面，当灵活性是一个优势时，选择具有低剪切模量的材料。橡胶和其他弹性体用于振动阻尼器，密封件和地震底座隔离器，因为它们的柔软度使它们可以轻松剪切并吸收能量。聚合物（例如聚乙烯或尼龙）在柔韧性和强度之间取得了平衡，这就是为什么它们被广泛用于轻质结构和耐冲击的部分。即使是木材等天然材料也会显示出强烈的方向差异：在整个谷物上，其剪切模量也远低于其沿谷物，并且建筑商需要考虑到这一点，以免在剪切力下裂开。

剪切模量计算

可以使用不同的测试方法来确定剪切模量G，并且选择取决于材料以及您是否需要静态还是动态值。对于金属和其他各向同性固体，一种常见的方法是在杆上或薄壁管上进行静态扭转测试。扭转角与施加扭矩的斜率给出了G。ASTME143指定了结构材料的室温程序。

对于动态测量，可以使用扭转摆：测量样品 - 质量系统的振荡周期，并将其与（复杂的）剪切模量相关联。 ASTM D2236是描述这种塑料方法的旧标准。

对于纤维增强的复合材料，使用V-网状方法（例如ASTM D5379（iosipescu））和ASTM D7078（V-Notched Rail剪切）获得了平面内剪切模量。 ASTM D4255（轨道剪切）也广泛用于聚合物矩阵复合材料。

请注意，ASTM A938是用于评估扭转性能的金属线的扭转测试（例如延性）；它不是确定G的标准方法。

有时G不会直接测量G，而是根据其他数据计算得出的。用于各向同性材料杨的模量e和泊松的比例ν，

g = \frac{e}{2 （（ 1 + ν ）}

剪切模量与杨氏模量与散装模量

这三个常数捕获了固体抵抗变形的主要方式：拉伸，剪切和挤压。杨的模量（E）测量沿单轴张力或压缩下的刚度。剪切模量（G）描述材料层彼此滑动时，对形状变化的阻力。散装模量（K）表征材料在均匀压力下的体积变化的强大变化。

对于许多各向同性，线性弹性固体，这三个固体与Poisson的比率（ν）联系在一起：

E = 2G（1 +ν）= 3K（1 - 2ν）

这种关系被广泛使用，但不适用于木材和复合材料等各向异性材料，或者用于粘弹性材料（如聚合物和橡胶），在时间和温度效果很重要的情况下。

典型的价值说明了它们的差异。对于钢，E≈210GPa和ν≈0.30，g≈81gpa和k≈170gpa。 E（〜70 GPA）的铝在20年代中期的GPA范围内具有剪切模量。相比之下，橡胶几乎是不可压缩的（ν→0.5）：K变得非常大，而E和G保持很小。

实际上，工程师使用e当他们需要知道条形或梁在张力，压缩或弯曲下的僵硬时。g当扭转，剪切或平面失真事物（例如在轴，粘合剂层或薄网中）时选择。k当压力导致体积变化时，这是相关的，这在流体系统，声学或高压容器中尤为重要。

剪切模量的应用

剪切模量的作用最好通过实用的工程示例来理解。

在民用和结构设计中，材料经常面对剪力力。推动摩天大楼的风在框架中引起剪切，并在桥上载荷会导致横梁横截面内的剪切。工程师依靠具有足够剪切刚度的材料来防止过度变形或故障。

一个经典的案例是在高建筑物中使用结构钢。钢具有高剪切模量（〜75-80 GPA），使其非常僵硬，以防止形状变化。摩天大楼必须承受涉及Young模量的垂直载荷，以及造成剪切和扭转应力的风和地震等横向载荷。钢的高G可帮助建筑物抵抗摇摆或扭曲，使其保持稳定。

混凝土梁也说明了点。普通混凝土具有适度的剪切模量（〜21 GPA），但易碎，因此钢筋不仅是为了拉伸强度，还可以提高剪切能力并防止脆性剪切衰竭。桥梁的工作类似：在移动车辆下，横梁截面会经历剪切。高剪切模量可确保桥梁主要通过弯曲而不是通过在层之间滑动而偏转。想象一下，用橡胶建造的桥 - g非常低，它会在负载下严重扭曲。

有趣的是，低剪切模量也可能是一个优势。地震基隔离系统在建筑物下使用层压橡胶轴承。橡胶的低g（0.001-0.01 GPA）允许在地震期间剪切，从上方的结构将地面运动脱钩。由于橡胶吸收了剪切变形，因此该建筑物更加轻轻地划出地震。这表明高剪切模量本质上是好事或坏，这取决于设计是否需要刚性或灵活性。

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