전단 계수는 무엇입니까?? - DeZe 기술 공동, 주식회사

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1. 소개

전단 계수, g로 표시됩니다, 부피를 변경하지 않고 모양을 바꾸려고하는 힘을 겪을 때 재료의 강성을 측정합니다..

실용적인 측면에서, 재료가 슬라이딩 또는 비틀기 변형에 얼마나 잘 저항 할 수 있는지 반영합니다..

역사적으로, 전단 계수의 개념은 고체 역학의 발달과 함께 진화했습니다., 전단 응력 하에서 재료 거동 예측에 필수 매개 변수가되기.

오늘, 전단 계수 이해는 탄력성 구조 및 구성 요소 설계에 필수적입니다..

항공기 구성 요소의 안전 보장에서 생체 의학 임플란트의 성능을 최적화하는 것, 전단 계수에 대한 정확한 지식은 여러 산업의 혁신을 지원합니다..

이 기사는 기술의 전단 계수를 탐구합니다, 실험, 산업의, 미래 지향적 관점, 현대 공학에서 중요성을 강조합니다.

2. 전단 계수는 무엇입니까??

전단 계수, 종종 g로 표시됩니다, 재료의 전단 변형에 대한 저항을 정량화합니다, 힘이 표면에 평행하게 적용될 때 발생합니다..

더 간단한 용어로, 적용된 전단 응력 하에서 재료가 얼마나 비틀거나 모양을 바꿀 것인지 측정합니다..

이 속성은 재료 과학 및 공학의 기본입니다. 왜냐하면 부피를 바꾸지 않고 모양을 바꾸려고하는 힘에 노출 될 때 재료의 강성과 안정성과 직접적으로 관련되기 때문입니다..

정의 및 수학적 공식

전단 계수는 전단 응력의 비율로 정의됩니다. (긴장된) 변형을 전단합니다 (γ gammaγ) 재료의 탄성 한계 내에서:

g = t ÷ c

여기:

전단 응력 (티\습득하다티) 표면과 평행하게 작용하는 단위 영역 당 힘을 나타냅니다., 파스칼에서 측정 (아빠).
전단 변형 (γ gammaγ) 물질이 경험하는 각도 변형입니다, 이는 차원이없는 수량입니다.

육체적 중요성

전단 모듈러스는 모양 변화에 대한 재료의 강성을 직접 측정합니다..

높은 전단 계수는 재료가 뻣뻣하고 변형에 저항 함을 나타냅니다., 구조적 무결성이 가장 중요한 응용 프로그램에 이상적입니다..

예를 들어, 강철과 같은 금속은 종종 주위에 전단 계수를 나타냅니다 80 평점, 상당한 전단력을 견딜 수있는 능력을 의미합니다.

대조적으로, 고무와 같은 재료는 전단 계수가 매우 낮습니다 (약 0.01 평점), 이를 통해 전단 응력 하에서 쉽게 변형되어 원래 모양으로 돌아갑니다..

게다가, 전단 계수는 다양한 기계적 특성 사이의 관계에서 중요한 역할을합니다.. 그것은 Young 's Modulus와 연결됩니다 (이자형) 그리고 포아송의 비율 (N) 관계를 통해:

g = e ÷ 2(1+N)

공학 및 재료 과학의 중요성

여러 응용 분야에서 전단 계수를 이해하는 것이 중요합니다:

구조 공학: 다리 나 건물과 같은 하중 부유 구조를 설계 할 때, 엔지니어는 사용되는 재료가 구조적 실패를 방지하기 위해 전단 변형에 저항 할 수 있는지 확인해야합니다..
자동차 및 항공 우주 산업: 비틀림 하중을받는 구성 요소, 드라이브 샤프트 또는 터빈 블레이드와 같은, 성능과 안전을 유지하려면 전단 계수가 높은 재료가 필요합니다..
제조 및 재료 선택: 엔지니어는 전단 계수 데이터에 의존하여 강성의 균형을 잡는 적절한 재료를 선택합니다., 유연성, 그리고 내구성.

3. 과학적, 이론적 기초

전단 계수에 대한 철저한 이해는 원자 수준에서 시작하여 엔지니어링에 사용되는 거시적 모델로 확장됩니다..

이 섹션에서는, 우리는 전단 행동을 지배하는 과학적, 이론적 토대를 탐구합니다., 원자 구조를 관찰 가능한 기계적 특성 및 실험 데이터에 연결.

원자 및 분자 기준

전단 계수는 근본적으로 재료의 격자 구조에서 원자 사이의 상호 작용에서 비롯됩니다..

현미경 수준에서, 전단 변형에 저항하는 재료의 능력은:

원자 결합:
금속에서, 금속 결합의 비편성 전자는 전반적인 응집력을 유지하면서 원자가 서로 상대적으로 미끄러지도록 허용합니다..
대조적으로, 세라믹 및 이온 성 화합물은 탈구 이동을 제한하는 방향성 결합을 나타냅니다., 연성이 낮고 더 높은 비율이 높아집니다.
결정 구조:
결정 격자에서 원자의 배열-얼굴 중심 입방 (FCC), 체심 입방체 (숨은참조), 또는 육각형 가까이 포장 (HCP)—Fluences 전단 저항.
FCC 금속, 알루미늄과 구리처럼, 일반적으로 다중 슬립 시스템으로 인해 더 높은 연성을 나타냅니다, 텅스텐과 같은 BCC 금속은 종종 전단 계수가 높지만 연성이 더 낮습니다..
탈구 메커니즘:
적용된 전단 응력 아래, 재료는 주로 탈구의 움직임을 통해 변형됩니다.
탈구가 이동하는 용이성은 전단 계수에 영향을 미칩니다.; 입자 경계 또는 침전과 같은 장애물은 탈구 운동을 방해합니다, 따라서 재료의 전단 변형에 대한 저항을 증가시킵니다.

이론적 모델

전단 스트레스하에있는 재료의 행동은 고전적인 탄력성 이론에 의해 잘 설명됩니다., 탄성 한계 내에서 선형 관계를 가정합니다. 주요 모델에는 포함됩니다:

선형 탄성:
전단에 대한 Hooke의 법칙, g = t ÷ c, 간단하면서도 강력한 모델을 제공합니다. 이 선형 관계는 재료가 탄력적으로 변형되는 한 사실입니다..
실용적인 측면에서, 이것은 전단 계수가 높은 재료가 동일한 전단 응력 하에서 더 효과적으로 변형에 저항한다는 것을 의미합니다..
등방성 대. 이방성 모델:
대부분의 입문 모델은 재료가 등방성이라고 가정합니다, 그들의 기계적 특성은 모든 방향에서 균일하다는 것을 의미합니다.
하지만, 많은 고급 재료, 복합재 또는 단결정과 같은, 이방성을 나타냅니다.
이러한 경우, 전단 계수는 방향에 따라 다릅니다, 재료의 반응을 완전히 설명하기 위해서는 텐서 미적분학이 필요합니다..
비선형 및 점탄성 모델:
중합체 및 생물학적 조직의 경우, 응력-변형 관계는 종종 선형성에서 벗어납니다.
점탄성 모델, 시간 의존적 행동을 포함합니다, 이러한 재료가 지속적 또는 순환 전단력에 어떻게 반응하는지 예측하는 데 도움이됩니다..
이러한 모델은 유연한 전자 제품 및 생물 의학 임플란트와 같은 응용 분야에서 중요합니다..

실험적 검증 및 데이터

경험적 측정은 이론적 모델을 검증하는 데 중요한 역할을합니다.. 몇 가지 실험 기술로 연구자들은 높은 정밀도로 전단 계수를 측정 할 수 있습니다.:

비틀림 테스트:
비틀림 실험에서, 원통형 표본은 비틀림 힘을받습니다.
트위스트 및 응용 토크 각도는 전단 응력 및 변형의 직접적인 측정을 제공합니다., 전단 계수가 계산됩니다.
예를 들어, 강철에 대한 비틀림 테스트는 일반적으로 주변의 전단 계수 값을 산출합니다. 80 평점.
초음파 테스트:
이 비파괴적인 기술은 재료를 통해 전단파를 보내고 속도를 측정하는 것이 포함됩니다..
초음파 테스트는 빠르고 신뢰할 수있는 측정을 제공합니다, 제조의 품질 관리에 필수적입니다.

동적 기계적 분석 (DMA):
DMA는 다양한 온도 및 주파수에 걸쳐 재료의 점탄성 특성을 측정합니다..
이 방법은 특히 중합체 및 복합재에 유용합니다, 전단 계수가 온도에 따라 크게 다를 수있는 곳.

경험적 데이터 스냅 샷

재료	전단 계수 (평점)	메모
온화한 강철	~ 80	일반적인 구조 금속, 높은 강성과 힘; 건설 및 자동차에 널리 사용됩니다.
스테인레스 스틸	~ 77-80	강성의 온화한 강과 유사합니다, 내식성 향상.
알류미늄	~ 26	가벼운 금속; 강철보다 강성이 낮지 만 항공 우주 응용 분야 및 항공 우주 적용에 탁월합니다..
구리	~ 48	연성과 강성의 균형; 전기 및 열 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
티탄	~ 44	높은 강도 대 중량 비율; 항공 우주에 필수적입니다, 생물 의학, 고성능 응용 프로그램.
고무	~ 0.01	매우 낮은 전단 계수; 매우 유연하고 탄력적입니다, 밀봉 및 쿠션 응용 프로그램에 사용됩니다.
폴리에틸렌	~ 0.2	강성이 낮은 일반적인 열가소성; 모듈러스는 분자 구조에 따라 달라질 수 있습니다.
유리 (소다 라임)	~ 30	부서지기 쉬우 며 뻣뻣합니다; 창과 컨테이너에 사용됩니다; 연성이 낮습니다.
알루미나 (세라믹)	~ 160	매우 높은 강성과 내마모성; 절단 도구 및 고온 응용 분야에 사용됩니다.
목재 (오크)	~ 1	이방성 및 가변; 일반적으로 낮은 전단 계수, 입자 방향 및 수분 함량에 따라 다릅니다.

4. 전단 계수에 영향을 미치는 요인

전단 계수 (G) 재료의는 다양한 고유 및 외적 요인에 의해 영향을받습니다., 전단 변형에 저항하는 능력에 영향을 미칩니다.

이러한 요소는 구조적 재료 선택에 중요한 역할을합니다., 기계적인, 및 산업 응용.

아래에, 여러 관점에서 전단 계수에 영향을 미치는 주요 매개 변수를 분석합니다..

4.1 재료 조성 및 미세 구조

화학 성분

순수한 금속 대. 합금:

- 순수한 금속, 알루미늄과 같은 (gr26 GPA) 그리고 구리 (gr48 GPA), 잘 정의 된 전단 계수가 있습니다.
- 합금은 전단 계수를 변경합니다; 예를 들어, 철에 탄소를 첨가합니다 (강철처럼) 강성을 증가시킵니다.

합금 요소의 효과:

- 니켈과 몰리브덴은 원자 결합을 변형시킴으로써 강을 강화시킨다, g.
- 알루미늄 리튬 합금 (항공우주에서 사용되는) 순수한 알루미늄보다 더 높은 전단 계수를 나타냅니다.

곡물 구조와 크기

세분화 된 대. 거친 입자 재료:

- 미세 입자 금속은 일반적으로 나타납니다 더 높은 전단 계수 입자 경계 강화로 인해.
- 거친 입자 물질은 전단 응력 하에서 더 쉽게 변형됩니다.

결정질 대. 비정질 재료:

- 결정 금속 (예를 들어, 강철, 그리고 티타늄) 잘 정의 된 전단 계수가 있습니다.
- 비정질 고체 (예를 들어, 유리, 중합체 수지) 불균일 한 전단 행동을 보여줍니다.

결함 및 탈구

탈구 밀도:

- 높은 탈구 밀도 (플라스틱 변형에서) 탈구의 이동성 증가로 인해 전단 계수를 줄일 수 있습니다..

공극 및 다공성 효과:

- 다공성이 높은 재료 (예를 들어, 소결 금속, 거품) 하중 전달 경로가 약해 전단 계수가 현저히 낮아져.

4.2 온도 효과

열 연화

전단 계수 온도가 증가함에 따라 감소합니다 열 진동이 강화됨에 따라 원자 결합이 약화되기 때문입니다.
예:

- 강철 (실온에서 GPA) 500 ° C에서 ~ 60 gpa로 떨어집니다.
- 알류미늄 (20 ° C에서 gr266 GPA) 400 ° C에서 ~ 15 gpa로 떨어집니다.

극저온 효과

매우 낮은 온도에서, 재료가 더욱 부서지기 쉬워집니다, 그리고 그들의 전단 계수 증가합니다 제한된 원자 움직임으로 인해.
예:

- 티타늄 합금은 극저온 온도에서 향상된 전단 강성을 보여줍니다, 우주 응용 분야에 적합합니다.

4.3 기계적 가공 및 열처리

가공경화 (냉간 가공)

플라스틱 변형 (예를 들어, 구르는, 단조) 전단 계수를 증가시킵니다 탈구 및 정제 입자 구조를 도입함으로써.
예:

- 냉간 작업 구리는 다음과 같습니다 더 높은 전단 계수 어닐링 된 구리보다.

열처리

가열 냉각 (가열 후 느린 냉각) 내부 스트레스를 줄입니다, 이어지는 하부 전단 계수.
담금질 및 템퍼링 재료 강화, 전단 계수 증가.

잔류 응력

용접, 가공, 그리고 캐스팅은 잔류 응력을 소개합니다, 이는 전단 계수를 국부적으로 변경할 수 있습니다.
예:

- 응력 릴리즈 강철은 치료되지 않은 강철에 비해 균일 한 전단 모듈러스가 있습니다..

4.4 환경 영향

부식 및 산화

부식은 재료 강도를 고갈시킵니다 원자 결합 감소, 더 낮은 전단 계수로 이어집니다.
예:

- 스테인레스 스틸의 염화물 유발 부식 시간이 지남에 따라 구조를 약화시킵니다.

수분 및 습도 효과

폴리머와 복합재는 수분을 흡수합니다, 이어지는 가소화, 전단 강성을 줄입니다.
예:

- 에폭시 복합재는 a 10-20% 수분에 장기간 노출 된 후 G의 감소.

방사선 노출

고 에너지 방사선 (예를 들어, 감마 광선, 중성자 플럭스) 금속 및 중합체의 결정 구조를 손상시킵니다, 전단 계수를 낮추십시오.
예:

- 원자로 재료는 방사선으로 인한 결함으로 인한 손화를 경험합니다.

4.5 이방성 및 방향 의존성

등방성 대. 이방성 재료

등방성 재료 (예를 들어, 궤조, 유리) 전시하다 모든 방향으로 일정한 전단 계수.
이방성 재료 (예를 들어, 복합재, 목재) 보여주다 방향 의존적 전단 강성.
예:

- 목재 (g는 곡물을 따라 크게 다릅니다).

섬유 강화 복합재

탄소 섬유 복합재는 섬유 방향을 따라 높은 전단 계수를 가지지 만 섬유에 수직은 훨씬 낮습니다.
예:

- 탄소 섬유 에폭시 (섬유 방향에 따라 GPA GPA).

5. 전단 계수 vs. 영률

전단 계수 (G) 영의 모듈러스 (이자형) 다양한 유형의 변형에 대한 재료의 응답을 설명하는 두 가지 기본 기계적 특성입니다..

둘 다 강성의 척도입니다, 그들은 뚜렷한 하중 조건과 같은 시대 및 축 스트레스에 적용됩니다.

그들의 차이를 이해합니다, 관계, 그리고 응용 프로그램은 재료 선택 및 엔지니어링 설계에 중요합니다..

정의 및 수학적 표현

영률 (이자형) - 축 강성

정의: 영률은 일축 인장 또는 압축 스트레스 하에서 재료의 강성을 측정합니다..
수학적 표현:
E = σ ÷ e
어디:
에이 = 정상 스트레스 (단위 면적당 힘)
이자형 = 정상 변형 (원래 길이 당 길이 변경)

단위: 파스칼 (아빠), 일반적으로 엔지니어링 자재를 위해 GPA로 표현됩니다.

전단 계수와 영률의 관계

등방성 재료의 경우 (모든 방향으로 균일 한 특성을 가진 재료), E와 G는 Poisson의 비율과 관련이 있습니다 (N), 측면 변형 대 축 변형률의 비율을 설명합니다.: