مدول برشی چیست?

1. مقدمه

مدول, مشخص شده به عنوان g, سفتی یک ماده را در معرض نیروهایی قرار می دهد که سعی می کنند شکل خود را بدون تغییر حجم آن تغییر دهند.

از نظر عملی, این نشان می دهد که چگونه یک ماده می تواند در برابر تغییر شکل کشویی یا پیچش مقاومت کند.

از نظر تاریخی, مفهوم مدول برشی در کنار توسعه مکانیک جامد تکامل یافته است, تبدیل شدن به یک پارامتر اساسی در پیش بینی رفتار مادی در زیر استرس برشی.

امروز, درک مدول برشی برای طراحی ساختارها و اجزای انعطاف پذیر بسیار حیاتی است.

از اطمینان از ایمنی اجزای هواپیما تا بهینه سازی عملکرد ایمپلنت های زیست پزشکی, دانش دقیق از مدول برشی از نوآوری ها در صنایع مختلف پشتیبانی می کند.

این مقاله به بررسی مدول برشی از فنی می پردازد, آزمایشی, صنعتی, و دیدگاه های آینده گرا, برجسته کردن اهمیت آن در مهندسی مدرن.

2. مدول برشی چیست?

مدول, اغلب به عنوان g مشخص می شود, مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل برشی را تعیین می کند, که وقتی نیروها به موازات سطح آن اعمال می شوند رخ می دهد.

به عبارت ساده تر, این اندازه گیری می کند که چقدر یک ماده تحت استرس برشی اعمال شده شکل می گیرد یا شکل را تغییر می دهد.

این خاصیت در علم و مهندسی مواد اساسی است زیرا مستقیماً مربوط به سفتی و ثبات مواد در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهایی است که سعی می کنند بدون تغییر حجم آنها شکل خود را تغییر دهند.

تعریف و فرمول ریاضی

مدول برشی به عنوان نسبت استرس برشی تعریف می شود (محکم) به فشار برشی (γ gammaγ) در محدوده الاستیک یک ماده:

g = t ÷ c

اینجا:

• استرس برشی (حرف\بدست آوردنحرف) نمایانگر نیروی در هر واحد است که به موازات سطح عمل می کند, اندازه گیری شده در پاسکال (پا).
• فشار (γ gammaγ) آیا تغییر شکل زاویه ای توسط مواد تجربه شده است, که یک مقدار بدون بعد است.

اهمیت جسمی

مدول برشی اندازه گیری مستقیم از استحکام یک ماده در برابر تغییرات شکل را فراهم می کند.

یک مدول برشی بالا نشان می دهد که مواد سفت است و در برابر تغییر شکل مقاومت می کند, آن را برای برنامه هایی که یکپارچگی ساختاری مهم است ، ایده آل می کند.

به عنوان مثال, فلزات مانند فولاد اغلب در اطراف ماژول های برشی نشان می دهند 80 GPa, نشان دهنده توانایی آنها در تحمل نیروهای برشی قابل توجه است.

در مقابل, موادی مانند لاستیک دارای مدول برشی بسیار کم هستند (تقریبا 0.01 GPa), که به آنها اجازه می دهد تا به راحتی در زیر استرس برشی تغییر شکل دهند و به شکل اصلی خود بازگردند.

علاوه بر این, مدول برشی نقش مهمی در رابطه بین خصوصیات مکانیکی مختلف ایفا می کند. این با مدول یانگ پیوند دارد (اشمیه) و نسبت پواسون (حرف) از طریق رابطه:

G = E ÷ 2(1+حرف)

اهمیت در مهندسی و علوم مادی

درک مدول برشی در چندین برنامه بسیار مهم است:

• مهندسی سازه: هنگام طراحی سازه های تحمل بار مانند پل ها یا ساختمانها, مهندسان باید اطمینان حاصل کنند که مواد مورد استفاده می توانند در برابر تغییر شکل برشی مقاومت کنند تا از خرابی ساختاری جلوگیری کنند.
• صنایع خودرو و هوافضا: مؤلفه هایی که در معرض بارهای پیچشی قرار می گیرند, مانند شفت های درایو یا تیغه های توربین, برای حفظ عملکرد و ایمنی به موادی با مدول برشی بالا نیاز دارید.
• تولید و انتخاب مواد: مهندسان برای انتخاب مواد مناسب که سفتی را متعادل می کنند ، به داده های مدول برشی تکیه می کنند, انعطاف پذیری, و دوام.

3. مبانی علمی و نظری

درک کامل از مدول برشی در سطح اتمی آغاز می شود و به مدلهای ماکروسکوپی که در مهندسی استفاده می شود گسترش می یابد.

در این بخش, ما زیربناهای علمی و نظری را که حاکم بر رفتار برشی است ، کشف می کنیم, پیوند ساختارهای اتمی به خصوصیات مکانیکی قابل مشاهده و داده های تجربی.

مبنای اتمی و مولکولی

مدول برشی اساساً از تعامل بین اتمها در ساختار شبکه یک ماده سرچشمه می گیرد.

در سطح میکروسکوپی, توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل برشی به آن بستگی دارد:

• پیوند اتمی:
  در فلزات, الکترونهای جابجایی شده در یک پیوند فلزی به اتم ها اجازه می دهند ضمن حفظ انسجام کلی ، نسبت به یکدیگر به هم بزنند.
  در مقابل, سرامیک و ترکیبات یونی پیوندهای جهت دار دارند که حرکت تفکیک را محدود می کند, منجر به انعطاف پذیری کمتر و شکنندگی بالاتر.
• ساختار بلورین:
  ترتیب اتم ها در یک شبکه کریستالی-چه مکعب صورت محور (FCC), مکعب بدنه محور (BCC), یا شش ضلعی بسته بندی شده (HCP)- مقاومت در برابر برشی.
  فلزات FCC, مانند آلومینیوم و مس, به طور معمول به دلیل چندین سیستم لغزش انعطاف پذیری بالاتری دارند, در حالی که فلزات BCC مانند تنگستن اغلب دارای مدول برشی بالاتر اما انعطاف پذیری پایین تر هستند.
• مکانیزم جابجایی:
  تحت استرس برشی اعمال شده, مواد در درجه اول از طریق حرکت جابجایی ها تغییر شکل می دهند.
  سهولت حرکت جابجایی بر مدول برشی تأثیر می گذارد; موانعی مانند مرزهای دانه یا رسوبات مانع حرکت جابجایی می شود, در نتیجه مقاومت مواد در برابر تغییر شکل برشی را افزایش می دهد.

مدل های نظری

رفتار مواد استرس زیر برشی توسط تئوری های کلاسیک خاصیت خاصیت خاصیت خاص, که روابط خطی را در حد الاستیک فرض می کنند. مدل های کلیدی شامل:

• ارتجاعی خطی:
  قانون هوک برای برش, g = t ÷ c, یک مدل ساده و در عین حال قدرتمند ارائه می دهد. این رابطه خطی تا زمانی که مواد به صورت الاستیک تغییر شکل می دهند صادق است.
  از نظر عملی, این بدان معنی است که یک ماده با مدول برشی بالاتر در برابر استرس برشی در برابر تغییر شکل بیشتر مقاومت می کند.
• ایزوتروپیک در مقابل. مدل های ناهمسانگرد:
  بیشتر مدل های مقدماتی فرض می کنند مواد ایزوتروپیک هستند, به این معنی که خصوصیات مکانیکی آنها از همه جهات یکنواخت است.
  با این حال, بسیاری از مواد پیشرفته, مانند کامپوزیت ها یا کریستال های منفرد, ناهمسانگردی.
  در این موارد, مدول برشی با جهت متفاوت است, و حساب Tensor برای توصیف کامل پاسخ مواد ضروری است.
• مدلهای غیرخطی و ویسکوالاستیک:
  برای پلیمرها و بافتهای بیولوژیکی, رابطه استرس فشار اغلب از خطی منحرف می شود.
  مدلهای ویسکوالاستیک, که شامل رفتار وابسته به زمان است, به پیش بینی چگونگی پاسخ این مواد به نیروهای برشی پایدار یا چرخه ای کمک کنید.
  چنین مدلهایی در برنامه هایی مانند الکترونیک انعطاف پذیر و ایمپلنت های زیست پزشکی بسیار مهم هستند.

اعتبار سنجی و داده های تجربی

اندازه گیری های تجربی نقش مهمی در اعتبارسنجی مدلهای نظری دارند. چندین تکنیک آزمایشی به محققان امکان می دهد مدول برشی را با دقت بالا اندازه گیری کنند:

• تست های پیچشی:
  در آزمایشات پیچشی, نمونه های استوانه ای در معرض نیروهای پیچ خورده قرار می گیرند.
  زاویه پیچ و تاب و گشتاور کاربردی اندازه گیری مستقیم استرس و کرنش را ارائه می دهد, که از آن مدول برشی محاسبه می شود.
  به عنوان مثال, تست های پیچشی بر روی فولاد به طور معمول مقادیر مدول برشی را در اطراف انجام می دهند 80 GPa.
• تست اولتراسونیک:
  این تکنیک غیر مخرب شامل ارسال امواج برشی از طریق یک ماده و اندازه گیری سرعت آنها است.
  آزمایش اولتراسونیک اندازه گیری های سریع و قابل اعتماد را ارائه می دهد, برای کنترل کیفیت در تولید ضروری است.

• تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا (DMA):
  DMA خصوصیات ویسکوالاستیک مواد را در طیف وسیعی از دما و فرکانس ها اندازه گیری می کند.
  این روش به ویژه برای پلیمرها و کامپوزیت ها بسیار ارزشمند است, جایی که مدول برشی با دما می تواند به میزان قابل توجهی متفاوت باشد.

عکس فوری داده های تجربی

مواد	مدول برشی (GPa)	یادداشت ها
فولاد ملایم	80 پوند	فلز ساختاری مشترک, سفتی و قدرت بالا; به طور گسترده در ساخت و ساز و خودرو استفاده می شود.
فولاد ضد زنگ	77-80 پوند	شبیه به فولاد خفیف در سفتی, با مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته.
آلومینیوم	26 پوند	فلز سبک; سفتی پایین تر از فولاد اما برای شکل گیری و برنامه های هوافضا بسیار عالی است.
مس	48 پوند	انعطاف پذیری و سفتی را متعادل می کند; به طور گسترده در کاربردهای الکتریکی و حرارتی استفاده می شود.
تیتانیوم	44 پوند	نسبت استحکام به وزن بالا; برای هوافضا ضروری است, وابسته به پزشکی, و برنامه های با کارایی بالا.
لاستیک	0.01 پوند	مدول برشی بسیار کم; بسیار انعطاف پذیر و الاستیک, در برنامه های آب بندی و بالشتک استفاده می شود.
پلی اتیلن	0.2 پوند	یک ترموپلاستیک مشترک با سفتی کم; مدول آن بسته به ساختار مولکولی می تواند متفاوت باشد.
شیشه ای (نوشابه)	30 پوند	شکننده و سفت; در ویندوز و ظروف استفاده می شود; دارای انعطاف پذیری کم است.
آلومینا (سرامامیک)	160 پوند	سفتی بسیار بالا و مقاومت در برابر سایش; در ابزارهای برش و برنامه های درجه حرارت بالا استفاده می شود.
چوب (بلوط)	1 ~	ناهمسانگرد و متغیر; به طور معمول مدول برشی کم, بستگی به جهت گیری دانه و رطوبت دارد.

4. عوامل مؤثر بر مدول برشی

مدول برشی (جی) یک ماده تحت تأثیر عوامل مختلف ذاتی و بیرونی است, که بر توانایی آن در مقاومت در برابر تغییر شکل برشی تأثیر می گذارد.

این عوامل نقش مهمی در انتخاب مواد برای ساختاری دارند, مکانیکی, و کاربردهای صنعتی.

در زیر, ما پارامترهای کلیدی مؤثر بر مدول برشی را از چند دیدگاه تجزیه و تحلیل می کنیم.

4.1 ترکیب مواد و ریزساختار

ترکیب شیمیایی

• فلزات خالص در مقابل. آلیاژها:

• • فلزات خالص, مانند آلومینیوم (gpa gpa gpa26) و مس (GPA G≈48), ماژول های برشی به خوبی تعریف شده دارند.
  • آلیاژ مدول برشی را تغییر می دهد; برای مثال, اضافه کردن کربن به آهن (همانطور که در فولاد) سفتی را افزایش می دهد.

• تأثیر عناصر آلیاژ:

• • نیکل و مولیبدن با اصلاح پیوند اتمی ، فولاد را تقویت می کنند, افزایش g.
  • آلیاژهای آلومینیوم لیتیوم (مورد استفاده در هوافضا) یک مدول برشی بالاتر از آلومینیوم خالص نشان می دهد.

ساختار و اندازه دانه

• ریز دانه در مقابل. مواد درشت دانه:

• • فلزات ریز دانه به طور کلی نمایش داده می شوند مدول برشی بالاتر به دلیل تقویت مرز دانه.
  • مواد درشت دانه ای در زیر استرس برشی به راحتی تغییر شکل می دهند.

• کریستالی در مقابل. مواد بی نظیر:

• • فلزات کریستالی (به عنوان مثال, فولاد, و تیتانیوم) یک مدول برشی به خوبی تعریف شده داشته باشید.
  • مواد جامد بی نظمی (به عنوان مثال, شیشه ای, رزین های پلیمری) رفتار برشی غیر یکنواخت را نشان دهید.

نقص و جابجایی

• تراکم جابجایی:

• • چگالی جابجایی بالا (از تغییر شکل پلاستیک) به دلیل افزایش تحرک جابجایی می تواند مدول برشی را کاهش دهد.

• اثرات باطل و تخلخل:

• • مواد با تخلخل بالاتر (به عنوان مثال, فلزات سستی, کف) به دلیل ضعف مسیرهای انتقال بار ، مدول برشی را به طور قابل توجهی پایین تر دارند.

4.2 اثرات دما

نرم شدن حرارتی

• مدول با افزایش دما کاهش می یابد زیرا پیوندهای اتمی با افزایش لرزش های حرارتی تضعیف می شوند.
• مثال:

• • فولاد (GPA GPA در دمای اتاق) افت به 60 gpa در دمای 500 درجه سانتیگراد.
  • آلومینیوم (G≈266 GPA در 20 درجه سانتیگراد) قطره به 15 پوند در دمای 400 درجه سانتیگراد.

اثرات فاحش

• در دمای بسیار پایین, مواد شکننده تر می شوند, و مدول برشی آنها افزایش به دلیل حرکت اتمی محدود.
• مثال:

• • آلیاژهای تیتانیوم سفتی برشی را در دمای کرایوژنیک نشان می دهند, آنها را برای برنامه های فضایی مناسب می کند.

4.3 پردازش مکانیکی و عملیات حرارتی

سخت کاری (کار سرد)

• تغییر شکل پلاستیکی (به عنوان مثال, نورد, جعل) مدول برشی را افزایش می دهد با معرفی جابجایی ها و پالایش ساختار دانه.
• مثال:

• • مس سرد با سرد مدول برشی بالاتر از مس آنیل شده.

عملیات حرارتی

• آنیل کردن (گرمایش به دنبال آن خنک کننده آهسته) فشارهای داخلی را کاهش می دهد, منجر به یک مدول برشی پایین.
• خاموش کردن و معتدل کردن تقویت مواد, افزایش مدول برشی.

استرسهای باقیمانده

• جوشکاری, ماشینکاری, و ریخته گری فشارهای باقیمانده را معرفی می کند, که می تواند به صورت محلی مدول برشی را تغییر دهد.
• مثال:

• • فولاد مقادیر استرس نسبت به فولاد بدون درمان دارای یک مدول برشی یکنواخت تر است.

4.4 تأثیرات زیست محیطی

خوردگی و اکسیداسیون

• خوردگی استحکام مواد را توسط کاهش پیوند اتمی, منجر به یک مدول برشی پایین تر.
• مثال:

• • خوردگی ناشی از کلرید در فولاد ضد زنگ با گذشت زمان ساختار را تضعیف می کند.

اثرات رطوبت و رطوبت

• پلیمرها و کامپوزیت ها رطوبت را جذب می کنند, منجر به پلاستیک سازی, که باعث کاهش سفتی برشی می شود.
• مثال:

• • کامپوزیت های اپوکسی نشان می دهد 10-20% کاهش در G پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در معرض رطوبت.

قرارگیری در معرض تشعشع

• تابش پر انرژی (به عنوان مثال, پرتوهای گاما, شار نوترون) به ساختارهای کریستالی در فلزات و پلیمرها آسیب می رساند, پایین آمدن مدول برشی.
• مثال:

• • مواد راکتور هسته ای به دلیل نقص ناشی از پرتودرم.

4.5 ناهمسانگردی و وابستگی جهت دار

ایزوتروپیک در مقابل. مواد ناهمسانگرد

• مواد ایزوتروپیک (به عنوان مثال, فلزات, شیشه ای) نمایشگاه مدول برشی ثابت از همه جهات.
• مواد ناهمسانگرد (به عنوان مثال, کامپوزیت ها, چوب) نشان می دهد سفتی برشی وابسته به جهت.
• مثال:

• • چوب (g به طور قابل توجهی در طول و در سراسر دانه متفاوت است).

کامپوزیت های تقویت شده با فیبر

• کامپوزیت های فیبر کربن دارای یک مدول برشی بالا در امتداد جهت فیبر اما عمود بر الیاف هستند.
• مثال:

• • اپیوکسی فیبر کربن (GP5 GPA بسته به جهت یابی فیبر).

5. مدول برش در مقابل. مدول یانگ

مدول (جی) و مدول یانگ (اشمیه) دو ویژگی مکانیکی اساسی هستند که پاسخ یک ماده به انواع مختلف تغییر شکل را توصیف می کنند.

در حالی که هر دو اندازه سفتی هستند, آنها در شرایط بارگذاری متمایز اعمال می شوند - استرس و محوری.

درک تفاوتهای آنها, روابط, و برنامه ها برای انتخاب مواد و طراحی مهندسی بسیار مهم است.

تعریف و عبارات ریاضی

مدول یانگ (اشمیه) - سفتی محوری

• تعریف: مدول جوان سفتی مواد را تحت استرس کششی یا فشاری یک محوره اندازه گیری می کند.
• بیان ریاضی:
  e = σ ÷ e
  کجا:
  بوها = استرس طبیعی (نیرو در واحد سطح)
  اشمیه = کرنش عادی (طول در طول اصلی تغییر می کند)

• واحد: پاسکال (پا), به طور معمول در GPA برای مواد مهندسی بیان می شود.

رابطه بین مدول برشی و مدول یانگ

برای مواد ایزوتروپیک (مواد با خصوصیات یکنواخت از همه جهات), E و G از طریق نسبت پواسون مرتبط هستند (حرف), که نسبت کرنش جانبی به کرنش محوری را توصیف می کند:

G = E ÷ 2(1+حرف)

کجا:

• G = مدول برشی
• E = مدول جوان
• ν = نسبت پواسون (به طور معمول محدوده از 0.2 به 0.35 برای فلزات)

تفاوت های اساسی بین مدول برشی و مدول یانگ

اموال	مدول یانگ (اشمیه)	مدول برشی (جی)
تعریف	اندازه گیری سفتی تحت استرس کششی/فشاری	استرس در زیر استرس برشی را اندازه گیری می کند
نوع استرس	عادی (محوری) استرس	استرس برشی
تغییر شکل	تغییر طول	تغییر شکل (اعوجاج زاویه)
جهت	عمود بر سطح اعمال می شود	به موازات سطح اعمال می شود
دامنه معمولی	بالاتر از مدول برشی	پایین تر از مدول یانگ
مثال (فولاد)	GPA E≈200	gpa gpa g≈80

6. نتیجه گیری

مدول برشی یک خاصیت محوری است که توانایی یک ماده را در مقاومت در برابر تغییر شکل زیر استرس برشی تعریف می کند.

با درک اصول علمی, تکنیک های اندازه گیری,

و عوامل مؤثر بر مدول برشی, مهندسان می توانند انتخاب و طراحی مواد را برای برنامه های کاربردی در هوافضا بهینه کنند, خودرو, ساخت و ساز, و زمینه های زیست پزشکی.

پیشرفت در آزمایش دیجیتال, نانوتکنولوژی, و وعده تولید پایدار برای اصلاح بیشتر درک و استفاده از مدول برشی, نوآوری رانندگی و بهبود قابلیت اطمینان محصول.

در اصل, تسلط بر پیچیدگی های مدول برشی نه تنها توانایی ما در پیش بینی رفتار مادی را تقویت می کند

بلکه به توسعه ایمن تر نیز کمک می کند, کارآمدتر, و فن آوری های سازگار با محیط زیست.

همانطور که تحقیقات همچنان در حال تحول است, آینده اندازه گیری و کاربرد مدول برشی هم امیدوار کننده و هم تحول آمیز به نظر می رسد.