โมดูลัสแรงเฉือนคืออะไร?

1. การแนะนำ

โมดูลัสเฉือน, แสดงว่า G, วัดความแข็งของวัสดุเมื่ออยู่ภายใต้แรงที่พยายามเปลี่ยนรูปร่างโดยไม่ต้องเปลี่ยนระดับเสียง.

ในแง่การปฏิบัติ, มันสะท้อนให้เห็นว่าวัสดุสามารถต้านทานการเลื่อนหรือบิดเบี้ยวได้ดีเพียงใด.

ในอดีต, แนวคิดของโมดูลัสแรงเฉือนพัฒนาไปพร้อมกับการพัฒนาของกลไกที่เป็นของแข็ง, กลายเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการทำนายพฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงเฉือน.

วันนี้, การทำความเข้าใจโมดูลัสแรงเฉือนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบโครงสร้างและส่วนประกอบที่ยืดหยุ่น.

จากการสร้างความมั่นใจในความปลอดภัยของส่วนประกอบของเครื่องบินไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของการปลูกถ่ายชีวการแพทย์, ความรู้ที่แม่นยำเกี่ยวกับโมดูลัสแรงเฉือนสนับสนุนนวัตกรรมในหลายอุตสาหกรรม.

บทความนี้สำรวจโมดูลัสแรงเฉือนจากทางเทคนิค, เกี่ยวกับการทดลอง, ทางอุตสาหกรรม, และมุมมองที่มุ่งเน้นในอนาคต, เน้นความสำคัญในวิศวกรรมสมัยใหม่.

2. โมดูลัสแรงเฉือนคืออะไร?

โมดูลัสเฉือน, มักแสดงว่าเป็น G, ปริมาณความต้านทานของวัสดุต่อการเปลี่ยนรูปแบบเฉือน, ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแรงถูกนำไปใช้ขนานกับพื้นผิวของมัน.

ในแง่ที่ง่ายกว่า, มันวัดจำนวนวัสดุที่จะบิดหรือเปลี่ยนรูปร่างภายใต้ความเครียดแรงเฉือนที่ใช้.

คุณสมบัตินี้เป็นพื้นฐานในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมเพราะมันเกี่ยวข้องโดยตรงกับความแข็งและความมั่นคงของวัสดุเมื่ออยู่ภายใต้แรงที่พยายามเปลี่ยนรูปร่างของพวกเขาโดยไม่เปลี่ยนปริมาณของพวกเขา.

คำจำกัดความและสูตรทางคณิตศาสตร์

โมดูลัสเฉือนหมายถึงอัตราส่วนของความเครียดแรงเฉือน (ตึง) เพื่อเฉือนความเครียด (γ gammaγ) ภายในขีด จำกัด ยืดหยุ่นของวัสดุ:

g = t ÷ c

ที่นี่:

• ความเครียดจากแรงเฉือน (T\ได้รับT) หมายถึงแรงต่อหน่วยพื้นที่ที่ทำหน้าที่ขนานกับพื้นผิว, วัดในปัสสาวะ (PA).
• แรงเฉือน (γ gammaγ) คือการเสียรูปแบบเชิงมุมที่มีประสบการณ์โดยวัสดุ, ซึ่งเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติ.

ความสำคัญทางกายภาพ

โมดูลัสเฉือนให้การวัดโดยตรงของความแข็งแกร่งของวัสดุต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง.

โมดูลัสแรงเฉือนสูงบ่งชี้ว่าวัสดุมีความแข็งและต่อต้านการเสียรูป, ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ความสมบูรณ์ของโครงสร้างเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง.

ตัวอย่างเช่น, โลหะอย่างเหล็กมักจะแสดงโมดูลัลเฉือนรอบ ๆ 80 เกรดเฉลี่ย, แสดงถึงความสามารถในการทนต่อแรงเฉือนที่สำคัญ.

ในทางตรงกันข้าม, วัสดุเช่นยางมีโมดูลัสเฉือนต่ำมาก (ประมาณ 0.01 เกรดเฉลี่ย), ซึ่งช่วยให้พวกเขาเปลี่ยนรูปได้อย่างง่ายดายภายใต้ความเครียดเฉือนและกลับสู่รูปร่างดั้งเดิมของพวกเขา.

นอกจากนี้, โมดูลัสเฉือนมีบทบาทสำคัญในความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติเชิงกลต่างๆ. เชื่อมโยงกับโมดูลัสของ Young (อี) และอัตราส่วนของปัวซอง (n) ผ่านความสัมพันธ์:

g = e ÷ 2(1+n)

ความสำคัญในด้านวิศวกรรมและวัสดุศาสตร์

การทำความเข้าใจโมดูลัสเฉือนเป็นสิ่งสำคัญในหลายแอปพลิเคชัน:

• วิศวกรรมโครงสร้าง: เมื่อออกแบบโครงสร้างที่รับน้ำหนักเช่นสะพานหรืออาคาร, วิศวกรต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าวัสดุที่ใช้สามารถต้านทานการเปลี่ยนรูปแบบแรงเฉือนเพื่อป้องกันความล้มเหลวของโครงสร้าง.
• อุตสาหกรรมยานยนต์และการบินและอวกาศ: ส่วนประกอบที่อยู่ภายใต้การโหลดแรงบิด, เช่นเพลาไดรฟ์หรือใบมีดกังหัน, ต้องการวัสดุที่มีโมดูลัสแรงเฉือนสูงเพื่อรักษาประสิทธิภาพและความปลอดภัย.
• การผลิตและการเลือกวัสดุ: วิศวกรพึ่งพาข้อมูลโมดูลัสแรงเฉือนเพื่อเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สมดุลความแข็ง, ความยืดหยุ่น, และความทนทาน.

3. รากฐานทางวิทยาศาสตร์และทฤษฎี

ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับโมดูลัสเฉือนเริ่มต้นที่ระดับอะตอมและขยายไปถึงแบบจำลองขนาดมหึมาที่ใช้ในวิศวกรรม.

ในส่วนนี้, เราสำรวจการสนับสนุนทางวิทยาศาสตร์และทฤษฎีที่ควบคุมพฤติกรรมการเฉือน, การเชื่อมโยงโครงสร้างอะตอมกับคุณสมบัติเชิงกลและข้อมูลการทดลองที่สังเกตได้.

พื้นฐานอะตอมและโมเลกุล

โมดูลัสแรงเฉือนมีต้นกำเนิดมาจากการโต้ตอบระหว่างอะตอมในโครงสร้างตาข่ายของวัสดุ.

ที่ระดับกล้องจุลทรรศน์, ความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปของแรงเฉือนขึ้นอยู่กับ:

• พันธะปรมาณู:
  ในโลหะ, อิเล็กตรอน delocalized ในพันธะโลหะอนุญาตให้อะตอมเลื่อนสัมพันธ์กันในขณะที่ยังคงการทำงานร่วมกันโดยรวม.
  ในทางตรงกันข้าม, สารประกอบเซรามิกและไอออนิกแสดงพันธะทิศทางที่ จำกัด การเคลื่อนไหวของความคลาดเคลื่อน, ส่งผลให้ความเหนียวลดลงและความเปราะ.
• โครงสร้างผลึก:
  การจัดเรียงของอะตอมในโครงตาข่ายคริสตัลไม่ว่าจะเป็นลูกบาศก์ (เอฟซีซี), ลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางร่างกาย (สำเนาลับถึง), หรือเต็มรูปแบบหกเหลี่ยม (HCP)- ความต้านทานแรงเฉือน.
  โลหะ FCC, เช่นอลูมิเนียมและทองแดง, โดยทั่วไปจะแสดงความเหนียวที่สูงขึ้นเนื่องจากระบบสลิปหลายระบบ, ในขณะที่โลหะ BCC เช่นทังสเตนมักจะมีโมดูลี่แรงเฉือนสูงกว่า แต่ความเหนียวต่ำกว่า.
• กลไกการเคลื่อนที่:
  ภายใต้ความเครียดแรงเฉือน, วัสดุเปลี่ยนรูปเป็นหลักผ่านการเคลื่อนไหวของความคลาดเคลื่อน.
  ความสะดวกในการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่จะส่งผลกระทบต่อโมดูลัสแรงเฉือน; อุปสรรคเช่นขอบเขตของเมล็ดหรือตกตะกอน, จึงเพิ่มความต้านทานของวัสดุต่อการเปลี่ยนรูปแบบเฉือน.

แบบจำลองทางทฤษฎี

พฤติกรรมของวัสดุภายใต้แรงเฉือนนั้นอธิบายได้ดีโดยทฤษฎีคลาสสิกของความยืดหยุ่น, ซึ่งถือว่าความสัมพันธ์เชิงเส้นภายในขีด จำกัด ยืดหยุ่น. รุ่นสำคัญรวมถึง:

• ความยืดหยุ่นเชิงเส้น:
  กฎหมายของ Hooke สำหรับการเฉือน, g = t ÷ c, ให้แบบจำลองที่เรียบง่าย แต่ทรงพลัง. ความสัมพันธ์เชิงเส้นนี้ถือเป็นจริงตราบใดที่วัสดุเปลี่ยนรูปแบบ.
  ในแง่การปฏิบัติ, ซึ่งหมายความว่าวัสดุที่มีโมดูลัสแรงเฉือนสูงกว่าจะต้านทานการเสียรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นภายใต้ความเครียดแรงเฉือนเดียวกัน.
• isotropic vs. โมเดลแอนไอโซโทรปิก:
  แบบจำลองเบื้องต้นส่วนใหญ่ถือว่าวัสดุเป็น isotropic, หมายถึงคุณสมบัติเชิงกลของพวกเขามีความสม่ำเสมอในทุกทิศทาง.
  อย่างไรก็ตาม, วัสดุขั้นสูงมากมาย, เช่นคอมโพสิตหรือคริสตัลเดี่ยว, จัดแสดง anisotropy.
  ในกรณีเหล่านี้, โมดูลัสแรงเฉือนแตกต่างกันไปตามทิศทาง, และแคลคูลัสเทนเซอร์มีความจำเป็นเพื่ออธิบายการตอบสนองของวัสดุอย่างเต็มที่.
• โมเดลที่ไม่เชิงเส้นและ viscoelastic:
  สำหรับโพลีเมอร์และเนื้อเยื่อชีวภาพ, ความสัมพันธ์ระหว่างความเครียดและความเครียดมักจะเบี่ยงเบนจากความเป็นเส้นตรง.
  รุ่น viscoelastic, ซึ่งรวมพฤติกรรมขึ้นอยู่กับเวลา, ช่วยทำนายว่าวัสดุเหล่านี้ตอบสนองต่อกองกำลังเฉือนที่ยั่งยืนหรือเป็นวงจรได้อย่างไร.
  แบบจำลองดังกล่าวมีความสำคัญในการใช้งานเช่นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและการปลูกถ่ายชีวการแพทย์.

การตรวจสอบและข้อมูลการทดลอง

การวัดเชิงประจักษ์มีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบแบบจำลองทางทฤษฎี. เทคนิคการทดลองหลายอย่างอนุญาตให้นักวิจัยวัดโมดูลัสแรงเฉือนด้วยความแม่นยำสูง:

• การทดสอบแรงบิด:
  ในการทดลองแรงบิด, ตัวอย่างทรงกระบอกจะถูกบิดเบี้ยว.
  มุมของการบิดและแรงบิดที่ใช้ให้การวัดโดยตรงของความเครียดแรงเฉือนและความเครียด, ซึ่งคำนวณโมดูลัสเฉือน.
  ตัวอย่างเช่น, การทดสอบแรงบิดบนเหล็กมักจะให้ค่าโมดูลัสเฉือนรอบ ๆ 80 เกรดเฉลี่ย.
• การทดสอบอัลตราโซนิก:
  เทคนิคที่ไม่ทำลายนี้เกี่ยวข้องกับการส่งคลื่นเฉือนผ่านวัสดุและวัดความเร็ว.
  การทดสอบอัลตราโซนิกให้การวัดที่รวดเร็วและเชื่อถือได้, จำเป็นสำหรับการควบคุมคุณภาพในการผลิต.

• การวิเคราะห์เชิงกลแบบไดนามิก (DMA):
  DMA วัดคุณสมบัติ viscoelastic ของวัสดุในช่วงอุณหภูมิและความถี่.
  วิธีนี้มีค่าอย่างยิ่งสำหรับโพลีเมอร์และคอมโพสิต, ในกรณีที่โมดูลัสเฉือนอาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญกับอุณหภูมิ.

สแนปช็อตข้อมูลเชิงประจักษ์

วัสดุ	โมดูลัสแรงเฉือน (เกรดเฉลี่ย)	หมายเหตุ
เหล็กอ่อน	~ 80	โลหะโครงสร้างทั่วไป, ความแข็งและความแข็งแรงสูง; ใช้กันอย่างแพร่หลายในการก่อสร้างและยานยนต์.
สแตนเลส	~ 77-80	คล้ายกับเหล็กอ่อนในความแข็ง, ด้วยความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้น.
อลูมิเนียม	~ 26	โลหะที่มีน้ำหนักเบา; ความแข็งต่ำกว่าเหล็ก แต่ยอดเยี่ยมสำหรับการขึ้นรูปและการบินและอวกาศ.
ทองแดง	~ 48	สมดุลความเหนียวและความแข็ง; ใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานไฟฟ้าและความร้อน.
ไทเทเนียม	~ 44	อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง; จำเป็นสำหรับการบินและอวกาศ, เกี่ยวกับชีวการแพทย์, และแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูง.
ยาง	~ 0.01	โมดูลัสเฉือนต่ำมาก; ยืดหยุ่นและยืดหยุ่นมาก, ใช้ในการปิดผนึกและการกระแทกแอปพลิเคชัน.
เอทิลีน	~ 0.2	เทอร์โมพลาสติกทั่วไปที่มีความแข็งต่ำ; โมดูลัสของมันอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุล.
กระจก (โซดามะนาว)	~ 30	เปราะและแข็ง; ใช้ในหน้าต่างและภาชนะบรรจุ; จัดแสดงความเหนียวต่ำ.
อลูมินา (เซรามิก)	~ 160	ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอสูงมาก; ใช้ในการตัดเครื่องมือและแอปพลิเคชันอุณหภูมิสูง.
ไม้ (โอ๊ค)	~ 1	anisotropic และตัวแปร; โดยทั่วไปแล้วโมดูลัสแรงเฉือนต่ำ, ขึ้นอยู่กับการวางแนวเกรนและปริมาณความชื้น.

4. ปัจจัยที่มีผลต่อโมดูลัสแรงเฉือน

โมดูลัสแรงเฉือน (ช) ของวัสดุได้รับอิทธิพลจากปัจจัยภายในและภายนอกต่าง ๆ, ซึ่งส่งผลกระทบต่อความสามารถในการต้านทานการเสียรูปของแรงเฉือน.

ปัจจัยเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการเลือกวัสดุสำหรับโครงสร้าง, เครื่องกล, และงานอุตสาหกรรม.

ด้านล่าง, เราวิเคราะห์พารามิเตอร์สำคัญที่มีผลต่อโมดูลัสแรงเฉือนจากหลายมุมมอง.

4.1 องค์ประกอบของวัสดุและโครงสร้างจุลภาค

องค์ประกอบทางเคมี

• โลหะบริสุทธิ์กับ. โลหะผสม:

• • โลหะบริสุทธิ์, เช่นอลูมิเนียม (G≈26 GPA) และทองแดง (G≈48 GPA), มีโมดูลัลเฉือนที่กำหนดไว้อย่างดี.
  • การผสมเปลี่ยนโมดูลัสเฉือน; ตัวอย่างเช่น, เพิ่มคาร์บอนลงในเหล็ก (ในเหล็กกล้า) เพิ่มความแข็ง.

• ผลขององค์ประกอบการผสม:

• • นิกเกิลและโมลิบดีนัมเสริมสร้างเหล็กโดยการปรับพันธะอะตอม, เพิ่ม g.
  • โลหะผสมอลูมิเนียม-ลิเธียม (ใช้ในการบินและอวกาศ) แสดงโมดูลัสเฉือนที่สูงกว่าอลูมิเนียมบริสุทธิ์.

โครงสร้างและขนาดของธัญพืช

• VS ละเอียด. วัสดุหยาบ:

• • โดยทั่วไปโลหะเนื้อละเอียดจะจัดแสดง โมดูลัสเฉือนที่สูงขึ้น เนื่องจากการเสริมสร้างขอบเขตของเมล็ดข้าว.
  • วัสดุที่มีเนื้อหยาบเปลี่ยนรูปได้ง่ายขึ้นภายใต้ความเครียดแรงเฉือน.

• ผลึกกับ. วัสดุอสัณฐาน:

• • โลหะผลึก (เช่น, เหล็ก, และไทเทเนียม) มีโมดูลัสแรงเฉือนที่กำหนดไว้อย่างดี.
  • ของแข็งอสัณฐาน (เช่น, กระจก, โพลิเมอร์เรซิน) แสดงพฤติกรรมเฉือนแบบไม่สม่ำเสมอ.

ข้อบกพร่องและความคลาดเคลื่อน

• ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อน:

• • ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนสูง (จากการเสียรูปพลาสติก) สามารถลดโมดูลัสแรงเฉือนได้เนื่องจากการเคลื่อนย้ายที่เพิ่มขึ้นของการเคลื่อนที่.

• เป็นโมฆะและผลกระทบที่มีรูพรุน:

• • วัสดุที่มีรูพรุนสูงขึ้น (เช่น, โลหะเผา, โฟม) มีโมดูลัสแรงเฉือนที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากเส้นทางการถ่ายโอนโหลดที่อ่อนแอลง.

4.2 ผลกระทบอุณหภูมิ

การทำให้ความร้อนอ่อนลง

• โมดูลัสเฉือน ลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เพราะพันธบัตรอะตอมลดลงเมื่อการสั่นสะเทือนทางความร้อนทวีความรุนแรงมากขึ้น.
• ตัวอย่าง:

• • เหล็ก (G≈80 GPA ที่อุณหภูมิห้อง) ลดลงถึง ~ 60 เกรดเฉลี่ยที่ 500 ° C.
  • อลูมิเนียม (G≈266 GPA ที่ 20 ° C) ลดลงถึง ~ 15 GPa ที่ 400 ° C.

ผล

• ที่อุณหภูมิต่ำมาก, วัสดุเปราะมากขึ้น, และโมดูลัสเฉือนของพวกเขา เพิ่มขึ้น เนื่องจากการเคลื่อนไหวของอะตอมที่ถูก จำกัด.
• ตัวอย่าง:

• • โลหะผสมไทเทเนียมแสดงความแข็งของแรงเฉือนที่อุณหภูมิแช่แข็ง, ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานอวกาศ.

4.3 การประมวลผลเชิงกลและการรักษาความร้อน

การแข็งตัวของงาน (การทำงานที่เย็น)

• การเสียรูปพลาสติก (เช่น, กลิ้ง, การปลอม) เพิ่มโมดูลัสเฉือน โดยการแนะนำการเคลื่อนที่และโครงสร้างธัญพืช.
• ตัวอย่าง:

• • ทองแดงที่ทำงานเย็นมี โมดูลัสเฉือนที่สูงขึ้น กว่าทองแดงที่อบอ่อน.

การรักษาความร้อน

• การหลอม (ความร้อนตามด้วยการระบายความร้อนช้า) ลดความเครียดภายใน, นำไปสู่ โมดูลัสเฉือนที่ต่ำกว่า.
• การดับและการแบ่งเบาบรรเทา เสริมความแข็งแกร่งของวัสดุ, เพิ่มโมดูลัสแรงเฉือน.

ความเครียดที่เหลืออยู่

• การเชื่อม, เครื่องจักรกล, และการหล่อแนะนำความเครียดที่เหลืออยู่, ซึ่งสามารถเปลี่ยนโมดูลัสแรงเฉือนในท้องถิ่นได้.
• ตัวอย่าง:

• • เหล็กที่คลายความเครียดมีโมดูลัสเฉือนที่สม่ำเสมอกว่าเมื่อเทียบกับเหล็กที่ไม่ได้รับการรักษา.

4.4 อิทธิพลด้านสิ่งแวดล้อม

การกัดกร่อนและการออกซิเดชั่น

• การกัดกร่อนทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลง ลดพันธะปรมาณู, นำไปสู่โมดูลัสแรงเฉือนที่ต่ำกว่า.
• ตัวอย่าง:

• • การกัดกร่อนที่เกิดจากคลอไรด์ในสแตนเลส ทำให้โครงสร้างอ่อนแอลงเมื่อเวลาผ่านไป.

ผลกระทบความชื้นและความชื้น

• พอลิเมอร์และคอมโพสิตดูดซับความชื้น, นำไปสู่ การทำให้เป็นพลาสติก, ซึ่งช่วยลดความแข็งของแรงเฉือน.
• ตัวอย่าง:

• • อีพ็อกซี่คอมโพสิตแสดงก 10-20% การลดลงของ G หลังจากได้รับความชื้นเป็นเวลานาน.

การได้รับรังสี

• รังสีพลังงานสูง (เช่น, รังสีแกมมา, ฟลักซ์นิวตรอน) ทำลายโครงสร้างผลึกในโลหะและโพลีเมอร์, ลดโมดูลัสเฉือน.
• ตัวอย่าง:

• • วัสดุเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีประสบการณ์ embrittlement เนื่องจากข้อบกพร่องที่เกิดจากรังสี.

4.5 Anisotropy และการพึ่งพาทิศทาง

isotropic vs. วัสดุ anisotropic

• วัสดุ isotropic (เช่น, โลหะ, กระจก) จัดแสดง โมดูลัสเฉือนคงที่ในทุกทิศทาง.
• วัสดุ anisotropic (เช่น, คอมโพสิต, ไม้) แสดง ความแข็งของแรงเฉือนขึ้นอยู่กับทิศทาง.
• ตัวอย่าง:

• • ไม้ (G แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญตามและข้ามธัญพืช).

คอมโพสิตเสริมเส้นใย

• คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีโมดูลัสแรงเฉือนสูงตามทิศทางของเส้นใย แต่ตั้งฉากกับเส้นใยต่ำกว่ามาก.
• ตัวอย่าง:

• • อีพ็อกซี่คาร์บอนไฟเบอร์ (G≈5−50 GPA ขึ้นอยู่กับการวางแนวเส้นใย).

5. แรงเฉือนโมดูลัสเทียบกับ. โมดูลัสของยัง

โมดูลัสเฉือน (ช) และโมดูลัสของ Young (อี) เป็นคุณสมบัติเชิงกลพื้นฐานสองประการที่อธิบายการตอบสนองของวัสดุต่อประเภทของการเสียรูปที่แตกต่างกัน.

ในขณะที่ทั้งคู่เป็นมาตรการของความแข็ง, พวกเขาใช้กับเงื่อนไขการโหลดที่แตกต่างกัน - ความเครียดและความเครียดตามแนวแกน.

เข้าใจความแตกต่างของพวกเขา, ความสัมพันธ์, และแอปพลิเคชันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเลือกวัสดุและการออกแบบทางวิศวกรรม.

คำจำกัดความและการแสดงออกทางคณิตศาสตร์

โมดูลัสของยัง (อี) - ความแข็งตามแนวแกน

• คำนิยาม: โมดูลัสของ Young วัดความแข็งของวัสดุภายใต้แรงดึงแกนเดี่ยวหรือแรงกด.
• การแสดงออกทางคณิตศาสตร์:
  e = σ÷ e
  ที่ไหน:
  อัน = ความเครียดปกติ (แรงต่อหน่วยพื้นที่)
  อี = ความเครียดปกติ (เปลี่ยนความยาวต่อความยาวเดิม)

• หน่วย: ประเทศปาสคาล (PA), โดยทั่วไปจะแสดงในเกรดเฉลี่ยสำหรับวัสดุวิศวกรรม.

ความสัมพันธ์ระหว่างโมดูลัสเฉือนและโมดูลัสของ Young

สำหรับวัสดุ isotropic (วัสดุที่มีคุณสมบัติสม่ำเสมอในทุกทิศทาง), E และ G เกี่ยวข้องผ่านอัตราส่วนของ Poisson (n), ซึ่งอธิบายอัตราส่วนของสายพันธุ์ด้านข้างต่อสายพันธุ์ตามแนวแกน:

g = e ÷ 2(1+n)

ที่ไหน:

• g = โมดูลัสเฉือน
• E = โมดูลัสของ Young
• ν = อัตราส่วนของปัวซอง (โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงจาก 0.2 ถึง 0.35 สำหรับโลหะ)

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างโมดูลัสเฉือนและโมดูลัสของ Young

คุณสมบัติ	โมดูลัสของยัง (อี)	โมดูลัสแรงเฉือน (ช)
คำนิยาม	วัดความแข็งภายใต้แรงดึง/แรงกด	วัดความแข็งภายใต้ความเครียดเฉือน
ประเภทความเครียด	ปกติ (ตามแนวแกน) ความเครียด	ความเครียดจากแรงเฉือน
การเสียรูป	เปลี่ยนความยาว	เปลี่ยนรูปร่าง (การบิดเบือนเชิงมุม)
ทิศทางของแรง	ใช้ตั้งฉากกับพื้นผิว	ใช้ขนานกับพื้นผิว
ช่วงทั่วไป	สูงกว่าโมดูลัสเฉือน	ต่ำกว่าโมดูลัสของ Young
ตัวอย่าง (เหล็ก)	E≈200 GPA	G≈80 GPA

6. บทสรุป

Shear Modulus เป็นคุณสมบัติสำคัญที่กำหนดความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปภายใต้ความเครียดแรงเฉือน.

โดยการทำความเข้าใจหลักการทางวิทยาศาสตร์, เทคนิคการวัด,

และปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อโมดูลัสแรงเฉือน, วิศวกรสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเลือกวัสดุและการออกแบบสำหรับการใช้งานทั่วทั้งการบินและอวกาศ, ยานยนต์, การก่อสร้าง, และสาขาชีวการแพทย์.

ความก้าวหน้าในการทดสอบดิจิทัล, นาโนเทคโนโลยี, และสัญญาการผลิตที่ยั่งยืนเพื่อปรับแต่งความเข้าใจและการใช้โมดูลัสแรงเฉือนของเราต่อไป, การผลักดันนวัตกรรมและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์.

ในสาระสำคัญ, การควบคุมความซับซ้อนของโมดูลัสแรงเฉือนไม่เพียง แต่ช่วยเพิ่มความสามารถของเราในการทำนายพฤติกรรมของวัสดุ

แต่ยังมีส่วนช่วยในการพัฒนาความปลอดภัย, มีประสิทธิภาพมากขึ้น, และเทคโนโลยีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม.

ในขณะที่การวิจัยยังคงพัฒนา, อนาคตของการวัดโมดูลัสแรงเฉือนและแอปพลิเคชันดูมีทั้งแนวโน้มและการเปลี่ยนแปลง.