せん断弾性率とは何ですか? - DeZe テクノロジー株式会社, 株式会社

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1. 導入

せん断弾性率, gとして示されます, その体積を変えずにその形状を変えようとする力にさらされたときに、材料の剛性を測定します.

実務的には, それは、材料がスライドまたはねじれの変形にどれだけうまく抵抗できるかを反映しています.

歴史的に, せん断弾性率の概念は、固体力学の発達とともに進化しました, せん断応力の下での材料行動を予測する上で重要なパラメーターになる.

今日, せん断弾性率を理解することは、回復力のある構造とコンポーネントを設計するために不可欠です.

航空機のコンポーネントの安全性を確保することから、生物医学インプラントのパフォーマンスの最適化まで, せん断弾性率の正確な知識は、複数の業界のイノベーションをサポートしています.

この記事では、技術からのせん断弾性率について説明します, 実験的, 工業用, 将来指向の視点, 現代のエンジニアリングにおけるその重要性を強調しています.

2. せん断弾性率とは何ですか?

せん断弾性率, 多くの場合、gとして示されます, せん断変形に対する材料の抵抗を定量化します, 力がその表面に平行に適用されると発生します.

もっと簡単に言うと, それは、材料が適用されたせん断応力の下でどの程度ねじれたり、形を変えたりするかを測定します.

この特性は、材料科学と工学の基本です。なぜなら、それは、ボリュームを変えずに形を変えようとする力にさらされる場合の材料の剛性と安定性に直接関係するためです.

定義と数学的定式化

せん断弾性率は、せん断応力の比として定義されます (ぴんと) せん断ひずみ (γガンマγ) 材料の弾性限界内:

g = t÷c

ここ:

せん断応力 (t\取得するt) 表面に平行に作用する単位面積あたりの力を表します, パスカルで測定 (PA).
せん断ひずみ (γガンマγ) 材料が経験する角度の変形です, これは無次元の量です.

身体的意義

せん断弾性率は、形状の変化に対する材料の剛性の直接的な尺度を提供します.

高いせん断弾性率は、材料が硬く、変形に抵抗していることを示します, 構造的完全性が最重要であるアプリケーションに理想的なものにする.

例えば, 鋼のような金属は、しばしばせん断弾性率を示します 80 GPa, 重要なせん断力に耐える能力を意味します.

対照的に, ゴムのような材料には、せん断弾性率が非常に低くなっています (約 0.01 GPa), これにより、せん断応力の下で簡単に変形し、元の形状に戻ることができます.

さらに, せん断弾性率は、さまざまな機械的特性の関係において重要な役割を果たします. ヤング率とリンクします (E) ポアソンの比率 (n) 関係を通して:

g = e÷ 2(1+n)

工学と材料科学における重要性

いくつかのアプリケーションでは、せん断弾性率を理解することが重要です:

構造工学: 橋や建物のような荷重を伴う構造を設計するとき, エンジニアは、使用される材料が構造障害を防ぐためにせん断変形に抵抗できることを確認する必要があります.
自動車および航空宇宙産業: ねじれ荷重を受けるコンポーネント, ドライブシャフトやタービンブレードなど, パフォーマンスと安全性を維持するために、ハイチャー弾性率を持つ材料が必要です.
製造と材料の選択: エンジニアはせん断弾性率データに依存して、剛性のバランスをとる適切な材料を選択します, 柔軟性, そして耐久性.

3. 科学的および理論的基礎

せん断弾性率の完全な理解は、原子レベルで始まり、エンジニアリングで使用される巨視的モデルにまで及びます.

このセクションでは, せん断挙動を支配する科学的および理論的な基盤を探求します, 原子構造を観察可能な機械的特性と実験データにリンクする.

原子および分子の基礎

せん断弾性率は、材料の格子構造の原子間の相互作用に基本的に由来します.

顕微鏡レベルで, せん断変形に抵抗する材料の能力は、:

原子結合:
金属の場合, 金属結合内の非局在電子は、全体的な結束を維持しながら、原子が互いに比較的スライドすることを可能にします.
対照的に, セラミックとイオン化合物は、転位の動きを制限する方向結合を示します, その結果、延性が低くなり、脆性が高くなります.
結晶構造:
結晶格子内の原子の配置 - 顔中心の立方体であろうと (FCC), 体心立方体 (BCC), または六角形の密集 (HCP) - 影響せん断抵抗.
FCC金属, アルミニウムや銅のように, 通常、複数のスリップシステムにより、延性が高くなります, 一方、タングステンなどのBCC金属はしばしばより高いせん断弾性率を持っていますが、延性が低いです.
転位メカニズム:
適用されたせん断応力の下, 材料は主に脱臼の動きを通して変形します.
転位が移動する容易さはせん断弾性率に影響します; 粒界の境界や沈殿物のような障害物は、脱臼運動を妨害します, それにより、せん断変形に対する材料の抵抗が増加します.

理論モデル

せん断応力下での材料の挙動は、弾力性の古典的な理論によってよく説明されています, これは、弾性制限内の線形関係を想定しています. 重要なモデルには含まれます:

線形弾性:
せん断のためのフックの法則, g = t÷c, シンプルでありながら強力なモデルを提供します. この線形関係は、材料が弾力的に変形する限り、当てはまります.
実務的には, これは、せん断弾性率が高い材料が同じせん断応力の下でより効果的に変形に抵抗することを意味します.
等方性対. 異方性モデル:
ほとんどの入門モデルは、材料が等方性であると仮定しています, それらの機械的特性は、すべての方向に均一であることを意味します.
しかし, 多くの高度な素材, 複合材や単結晶など, 異方性を示す.
このような場合には, せん断弾性率は方向によって異なります, 材料の反応を完全に説明するために、テンソル計算が必要になります.
非線形および粘弾性モデル:
ポリマーと生物組織用, ストレスとひずみの関係は、しばしば直線性から逸脱します.
粘弾性モデル, 時間依存の動作が組み込まれています, これらの材料が持続的または周期的なせん断力にどのように反応するかを予測するのに役立ちます.
このようなモデルは、柔軟な電子機器や生物医学インプラントなどのアプリケーションで重要です.

実験的検証とデータ

経験的測定は、理論モデルを検証する上で重要な役割を果たします. いくつかの実験技術により、研究者は高精度でせん断弾性率を測定できます:

ねじりテスト:
ねじれ実験, 円筒形の標本はねじれた力にさらされます.
ねじれと適用されたトルクの角度は、せん断応力とひずみの直接的な測定を提供します, そこからせん断弾性率が計算されます.
例えば, 鋼のねじれ試験は通常、せん断弾性率を獲得します 80 GPa.
超音波検査:
この非破壊的な手法では、材料を通してせん断波を送信し、速度を測定することが含まれます.
超音波検査は、迅速で信頼性の高い測定を提供します, 製造における品質管理に不可欠です.

動的機械分析 (DMA):
DMAは、さまざまな温度と周波数にわたる材料の粘弾性特性を測定します.
この方法は、ポリマーや複合材料にとって特に価値があります, せん断弾性率は、温度とともに大きく変化する可能性があります.

経験的データスナップショット

材料	せん断弾性率 (GPa)	注意事項
軟鋼	〜80	一般的な構造金属, 高い剛性と強さ; 建設および自動車で広く使用されています.
ステンレス鋼	〜77-80	剛性の軟鋼に似ています, 耐食性が強化されています.
アルミニウム	〜26	軽量の金属; 鋼よりも剛性が低いが、形成や航空宇宙用途に最適.
銅	〜48	バランスの延性と剛性; 電気的および熱的なアプリケーションで広く使用されています.
チタン	〜44	高い強度重量比; 航空宇宙に不可欠です, 生物医学, および高性能アプリケーション.
ゴム	〜0.01	非常に低いせん断弾性率; 非常に柔軟で弾力性があります, シーリングおよびクッションアプリケーションで使用されます.
ポリエチレン	〜0.2	剛性が低い一般的な熱可塑性塑性; そのモジュラスは、分子構造によって異なる場合があります.
ガラス (ソーダライム)	〜30	脆くて硬い; 窓とコンテナで使用されます; 延性が低いことを示します.
アルミナ (セラミック)	〜160	非常に高い剛性と耐摩耗性; 切削工具と高温アプリケーションで使用されます.
木材 (オーク)	〜1	異方性と変数; 通常、低せん断弾性率, 穀物の向きと水分含有量に依存します.

4. せん断弾性率に影響する要因

せん断弾性率 (G) 材料の影響は、さまざまな内因性および外因性の要因の影響を受けます, せん断変形に抵抗する能力に影響します.

これらの要因は、構造の材料選択において重要な役割を果たします, 機械的, および産業用途.

下に, 複数の視点からせん断弾性率に影響を与える重要なパラメーターを分析します.

4.1 材料組成と微細構造

化学組成

純粋な金属vs. 合金:

- 純粋な金属, アルミニウムなどの (G≈26GPA) そして銅 (G≈48GPA), 明確に定義されたせん断係数があります.
- 合金化はせん断弾性率を変化させます; 例えば, 鉄に炭素を追加します (スチールのように) 剛性を高めます.

合金要素の効果:

- ニッケルとモリブデンは、原子結合を変更することにより鋼を強化します, 増加g.
- アルミニウムリチウム合金 (航空宇宙で使用される) 純粋なアルミニウムよりも高いせん断弾性率を示します.

穀物の構造とサイズ

きめの粒子対. 粗粒材料:

- 一般に、細粒の金属が展示されています より高いせん断弾性率 粒界の強化により.
- 粗粒の材料は、せん断応力下でより簡単に変形します.

結晶対. アモルファス材料:

- 結晶金属 (例えば, 鋼鉄, そしてチタン) 明確に定義されたせん断弾性率があります.
- アモルファス固体 (例えば, ガラス, ポリマー樹脂) 不均一なせん断挙動を示します.

欠陥と転位

転位密度:

- 高い転位密度 (プラスチック変形から) 脱臼の可動性の向上により、せん断弾性率を減らすことができます.

ボイドと気孔率の影響:

- 多孔性が高い材料 (例えば, 焼結金属, フォーム) 負荷伝達経路が弱いため、せん断弾性率が大幅に低い.

4.2 温度効果

熱軟化

せん断弾性率 温度の上昇とともに減少します 熱振動が激化するにつれて原子結合が弱くなるためです.
例:

- 鋼鉄 (室温でのG≈80GPA) 500°Cで〜60 gpaに低下します.
- アルミニウム (20°Cでのg≈266gpa) 400°Cで約15 gpaに低下します.

極低温効果

非常に低い温度で, 材料はより脆くなります, およびそれらのせん断弾性率 増加します 原子運動が制限されているため.
例:

- チタン合金は、極低温でのせん断剛性の強化を示します, スペースアプリケーションに適したものにします.

4.3 機械的処理と熱処理

加工硬化 (冷間加工)

プラスチック変形 (例えば, ローリング, 鍛造) せん断弾性率を増加させます 脱臼と精製穀物構造を導入することにより.
例:

- コールドワークの銅には より高いせん断弾性率 アニールされた銅よりも.

熱処理

アニーリング (加熱に続いてゆっくりと冷却されます) 内部応力を減らします, につながる 下部せん断弾性率.
焼き入れと焼き戻し 材料を強化します, せん断弾性率の増加.

残留応力

溶接, 機械加工, キャストは残留応力を導入します, せん断弾性率を局所的に変更できます.
例:

- ストレス療法鋼は、非治療鋼と比較してより均一なせん断弾性率を持っています.

4.4 環境の影響

腐食と酸化

腐食は材料強度を枯渇させます 原子結合の削減, せん断弾性率が低くなります.
例:

- ステンレス鋼の塩化物による腐食 時間の経過とともに構造を弱めます.

水分と湿度の影響

ポリマーと複合材料は水分を吸収します, につながる 可塑化, これにより、せん断剛性が低下します.
例:

- エポキシ複合材料はaを示しています 10-20% 湿気への長期暴露後のGの減少.

放射線被ばく

高エネルギー放射線 (例えば, ガンマ光線, 中性子流束) 金属およびポリマーの結晶構造を損傷します, せん断弾性率を下げる.
例:

- 原子炉材料は、放射線誘発性の欠陥による腹立を経験します.

4.5 異方性と方向依存性

等方性対. 異方性材料

等方性材料 (例えば, 金属, ガラス) 展示する すべての方向の一定のせん断弾性率.
異方性材料 (例えば, 複合材, 木材) 見せる 方向依存せん断剛性.
例:

- 木材 (Gは穀物に沿って大きく異なります).

繊維強化複合材料

炭素繊維複合材料は、繊維方向に沿って高いせん断弾性率を持っていますが、繊維に対してはるかに低い垂直です.
例:

- 炭素繊維エポキシ (繊維の向きに応じてg≈5-50gpa).

5. せん断弾性率対. ヤング率

せん断弾性率 (G) そしてヤングモジュラス (E) さまざまなタイプの変形に対する材料の反応を説明する2つの基本的な機械的特性です.

どちらも剛性の尺度です, それらは、シャーと軸の応力という明確な負荷条件に適用されます.

彼らの違いを理解する, 関係, そして、アプリケーションは材料の選択とエンジニアリングの設計に不可欠です.

定義と数学的表現

ヤング率 (E) - 軸方向の剛性

意味: ヤング率は、単軸引張または圧縮ストレスの下で材料の剛性を測定します.
数学的表現:
E =σ÷e
どこ:
a =通常の応力 (単位面積当たりの力)
e =通常のひずみ (元の長さあたりの長さの変化)

ユニット: パスカル (PA), 通常、エンジニアリング材料のGPAで表現されます.

せん断弾性率とヤング率の関係

等方性材料用 (あらゆる方向に均一な特性を持つ材料), EとGは、ポアソンの比率を介して関連しています (n), 軸方向ひずみに対する横歪みの比を表します: