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。

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。
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。

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,
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。
很少有材料具有像青铜一样多的历史意义。这种基于铜的合金革命性的工具,武器和艺术是在青铜时代首次开发的,它在人类手工艺的新时代都彻底改变了工具,武器和艺术。尽管青铜通常与铸造和锻造相关,但在现代制造中,它被广泛用于轴承,衬套,齿轮和阀门组件,在该轴承,衬套,齿轮和阀门部件中,铸件零件是通过精确加工完成的,以满足紧密的公差。
当工程师谈论“压力”时,它们的意思与考试焦虑或工作压力截然不同。在这里,压力是材料中每单位区域的内力。伸展橡皮筋或在拔河船上拉绳子,您会看到拉伸压力在作用中,这种压力使材料在负载下伸长。 在本文中,我们解释了什么是拉伸应力,它与压力应力和拉伸强度,关键公式以及chiggo如何将这些考虑因素纳入现实世界制造业的方式有何不同。 什么是拉伸压力? 拉伸压力描述了当您尝试将其拉开时材料的反应。它导致材料沿施加载荷的轴伸长。正式地,它被定义为施加的力除以垂直于该力的横截面区域。 拉伸应力与压力应力 拉伸应力与压缩应力相反。当力起作用伸展或延长物体时,会发生拉伸应力,而当力挤压或缩短后,会发生压力。想象一下坚固的金属条:两端拉动,并且会遇到拉伸压力,略微拉长。将两端推动,好像试图沿其长度粉碎它,并且棒会遇到压力,缩短或凸起。 这些应力也可以同时在结构的不同部分发生。例如,当人或机器在混凝土地板板上移动时,平板的顶部表面被推入压缩,而底部表面则以张力拉伸。如果底部的拉伸应力太高,则可能会出现裂缝 - 这就是为什么工程师将钢筋放在那里抵抗张力的原因。 拉伸应力与拉伸强度 拉伸应力材料在给定时刻所经历的负载是每单位面积的力。它会根据施加力而升高和下降。抗拉强度相比之下,是固定材料的特性,它是材料在产生或断裂之前可以应付的最大拉伸压力。 实际上,工程师不断比较两者。如果零件中的实际拉伸应力保持在其拉伸强度以下,则该零件将略微伸展但保持完整。如果压力超过强度,则会发生故障。这就是为什么设计始终包括安全余量,确保现实压力远低于所选材料的已知强度的原因。 拉伸应力公式 拉伸时,拉伸应力在其拉伸时测量内力。它以一个简单的公式计算: σ= f / a 在哪里: σ=拉伸应力(在Pascals,MPA或PSI中) F =施加力(纽顿或磅) a =横截面区域(以mm²或英寸为单位) 这个方程告诉我们拉力的集中力量。较高的负载或较小的横截面会产生较高的应力。例如,悬浮在细线上的相同重量会产生比厚电缆上的压力要大得多。这就是为什么工程师大小的电缆,杆或横梁以保持压力远低于所使用材料的安全限制的原因。 但是,尽管这种公式给了我们压力的数值,但并未揭示材料本身将如何响应。它会突然突然折断,永久弯曲还是弹簧回到原始形状?为了回答这一点,工程师依靠压力 - 应变曲线。 了解应力应变曲线 为了创建应力 - 应变曲线,将测试标本(通常是Dogbone形)放置在拉伸测试机中。机器握住各端,并逐渐将它们拉开,将样品拉伸至破裂。在此过程中,连续测量施加的应力和所得应力(相对于原始长度的长度变化)。 将结果用X轴的应变绘制,并在Y轴上的应力。在此曲线上,可以识别几个关键点: 弹性区域 起初,压力和应变是成比例的。这是弹性区域,其中胡克定律适用(σ=e猛)。该线性部分的斜率是弹性模量(Young的模量),一种刚度的度量。在该区域中,一旦卸下负载,材料将返回其原始形状。 产量点 随着加载的增加,曲线从直线偏离。这是产量点,弹性行为结束,塑性(永久)变形开始。除此之外,即使卸下负载,材料也不会完全恢复其原始形状。 终极拉伸强度(UTS) 曲线持续向上进入塑料区域,达到峰值。这个最高点是最终的拉伸强度(UTS),它代表材料在颈部(局部变薄)开始之前承受的最大压力。 断裂点 在UTS之后,曲线随着样品颈的倾斜而向下倾斜,无法再承担那么多的负载。最终,材料在断裂点断裂。对于延性材料,由于颈部,骨折的应力通常低于UTS。对于脆性材料,裂缝可能会突然发生在弹性极限附近,而塑性变形很小。 拉伸压力的实际应用 在材料被拉,悬挂或拉伸的任何情况下,拉伸压力决定了它是否可以安全地承担负载或是否会失败。以下是一些关键应用程序和示例: 桥梁和建筑 想想悬挂桥,例如金门桥 - 悬挂在塔之间的巨大钢电缆处于恒定的拉伸压力下,支撑道路和车辆的重量。工程师为这些电缆选择高强度的钢,以便他们可以处理重负荷以及诸如风或地震等额外的力量而不会失败。现代建筑也巧妙地使用了紧张。例如,在预应力的混凝土中,钢质肌腱被嵌入并拉伸,以便梁可以安全地处理载荷。 电缆,绳索和链条 许多日常系统还直接依赖拉伸压力。以电梯为例:其钢电缆处于恒定的张力,不仅承载汽车的重量,而且还带有加速或停止时的额外力。起重机以相同的原理运行,使用高应答电缆安全地抬起和移动重载。即使在像吉他这样简单的东西中,拉伸压力也会发挥作用 - 越紧手起来钉子,琴弦的张力越大,这会使音高提高,直到推到太远的话,琴弦最终会破裂。 机器和螺栓 在机械工程中,拉伸应力同样重要。通过稍微拉伸飞机或汽车发动机工作中的螺栓和螺钉 - 由此产生的拉伸应力会产生将零件固定在一起的夹紧力。如果螺栓的压力过高(拧紧时扭矩过多或使用过多的负载),它可能会产生和失败,可能导致机器分开。这就是为什么螺栓通过表明其产量和拉伸强度的等级进行评分的原因,以及为什么将临界螺栓拧紧到指定的紧张局势的原因。 […]
由于暴露于氧气,水分,高温和机械磨损,金属成分往往会随着时间而变化。抛光会产生镜面平滑的表面,可最大程度地减少腐蚀起始位点并防止表面污染。最终的饰面增强了装饰吸引力,并为功能用途(例如光反射器)提供了高反射率。此外,通过消除表面不规则性,抛光消除了充当应力浓缩剂的微型注释,从而改善了疲劳寿命。
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