
【化】 modulus of elasticity in shear
剪切彈性模量(Shear Modulus of Elasticity),英文對應術語為"Shear Modulus"或"Modulus of Rigidity",是材料力學中表征材料抵抗剪切形變能力的物理量。其定義為材料在彈性變形階段内,剪切應力(τ)與剪切應變(γ)的比值,數學表達式為: $$ G = frac{tau}{gamma} $$ 其中剪切應力單位為帕斯卡(Pa),剪切應變為無量綱量。該參數在工程設計中用于計算材料受扭轉、彎曲等剪切載荷時的變形量。
根據《材料力學》(劉鴻文主編,高等教育出版社)的闡述,剪切彈性模量與材料的原子鍵合強度密切相關。金屬材料因金屬鍵的特性通常具有較高數值,例如低碳鋼的剪切彈性模量約為79.3 GPa,而橡膠等聚合物材料因分子鍊易滑移,其值可低至0.001-0.1 GPa範圍。
國際标準ASTM E143-13《Standard Test Method for Shear Modulus at Room Temperature》規定了通過扭轉試驗測定該參數的标準方法,實驗中需精确測量試樣的扭矩-轉角關系曲線。在航空航天領域,該參數直接影響飛機蒙皮鉚接結構的抗剪強度設計;在土木工程中,則是評估建築結構節點抗震性能的重要指标。
剪切彈性模量(Shear Modulus),又稱剛性模量或切變彈性模量,是材料力學中描述材料抵抗剪切變形能力的物理量。以下是詳細解釋:
1. 定義與公式 剪切彈性模量(通常用符號 ( G ) 表示)定義為材料在彈性變形階段内,剪切應力 ( tau ) 與剪切應變 ( gamma ) 的比值: $$ G = frac{tau}{gamma} $$ 其中:
2. 物理意義 剪切彈性模量反映了材料在受到平行于截面方向的剪切力時,抵抗形狀變化的能力。數值越大,材料越難以發生剪切變形。例如,鋼的剪切模量(約79 GPa)遠高于橡膠(約0.0003 GPa),說明鋼更“剛硬”。
3. 與其他彈性參數的關系 剪切彈性模量與楊氏模量(( E )、泊松比(( u ))的關聯公式為: $$ G = frac{E}{2(1+ u)} $$ 這一關系表明材料的彈性性質是相互聯繫的,通過已知任意兩個參數可推導第三個。
4. 應用領域
5. 測量方法 通常通過扭轉試驗測定:對圓柱試樣施加扭矩,測量其扭轉角度,結合試樣的幾何尺寸計算 ( G )。
剪切彈性模量是材料抵抗剪切變形的核心參數,其數值直接影響材料在機械、建築等領域的應用選擇。若需進一步了解具體材料的模量值或實驗細節,可參考材料力學手冊或相關标準測試方法。
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