せん断弾性率とは？
せん断弾性率は、せん断力（平行な面が互いに滑り合う力）を受けたときの材料の形状変化に対する抵抗力を定義する。立方体がその上面に平行な力を受け、下面に平行な等しく反対の力を受けると、その側面は台形に変形する。
せん断弾性率は、ヤング率、体積弾性率と並ぶ主要な弾性率の一つである。Gで表され、弾性領域内のせん断ひずみに対するせん断応力の比として計算されます。この特性は、シャフト、接着剤、エラストマーなど、ねじり、曲げ、または横方向の荷重を伴う用途で重要です。
せん断弾性率の公式
ここで
- Gはせん断弾性率（PaまたはN/m²）です。
- τは加えられるせん断応力（単位面積当たりの力、N/m²）。
- γはせん断ひずみ（ラジアン単位の角度変形）
この式は、加えられたせん断力（応力）に対して材料がどれだけ変形（ひずみ）するかを表すもので、材料が弾性的に挙動する限り、つまり力を取り除くと元の形状に戻る限り有効です。
せん断弾性率の式
せん断弾性率(G)とヤング率(E)は、どちらも材料の剛性を測定するものですが、荷重の種類が異なります。ヤング率は、材料が軸方向荷重によってどのように伸縮するかを表し、せん断弾性率は、せん断力やねじり力を受けたときにどのように変形するかを表します。
等方性の線形弾性材料の場合、ヤング率とせん断弾性率は次の式で表されます：
ここで
- G= せん断弾性率
- E= ヤング率
- ν= ポアソン比（横ひずみと軸ひずみの比）
この関係は、これらの特性のうち2つが既知であれば、3つ目を計算できることを意味する。また、ポアソン比が材料内のひずみの分布や、せん断と引張における全体的な剛性にどのような影響を与えるかを明らかにしています。
高いせん断弾性率は、より高い剛性を示します。金属やセラミックは、その軽さと連動して複合材料と同様にせん断において優れた性能を発揮しますが、ゴムのような柔軟な材料は、はるかに低い値を示します。剛性率は通常、扱いやすいようにGPa単位で表示されます。
一般的な材料の代表的なG値の比較
| 材料 | G (Gpa) | タイプ |
|---|---|---|
| ダイヤモンド | 478 | セラミック |
| アルミナ | 150 | セラミック |
| タングステン | 161 | 金属 |
| アルミニウムナイトレード | 130 | セラミック |
| 炭素鋼 | 77 | 金属 |
| 鉄、ダクタイル | 64.5 | 金属 |
| 銅 | 45 | 金属 |
| アルミニウム | 28 | 金属 |
| ガラスセラミック | 26.2 | セラミック |
| コンクリート | 21 | コンポジット |
| ケブラー | 19 | 複合材 |
| 木材、ダグラスファー | 13 | 複合材 |
| ポリエチレン | 0.12 | ポリマー |
| ゴム | 0.0003 | ポリマー |
せん断弾性率に関するFAQ
せん断弾性率の試験方法は？
せん断弾性率は、固体または接着した試料にねじり試験またはせん断試験装置を適用して測定します。ねじり試験では、試験片（通常は円形または管状）の一端にトルクを加え、他端は固定します。その結果生じる角度変形は、せん断ひずみの計算に用いられます。
引張または圧縮によるせん断試験は、接着剤、発泡体、層状複合材料の評価によく用いられます。Vノッチ付き梁やラップせん断試験などの方法は、平らな材料や接着された材料のせん断強度と剛性を正確に評価するための制御された荷重条件を提供します。
せん断弾性率はどのような用途で重要な特性ですか？
せん断弾性率の測定は、材料の性能や接合部の動きを制御する必要がある様々な産業で不可欠です：
- 機械工学および土木工学 - シャフトや梁のねじり剛性の評価、構造接合部のボルトやファスナーの強度評価。
- 接着剤およびシーラント試験- せん断破壊が主要な破壊モードである場合。
- エラストマー開発 - ガスケット、シール、減衰コンポーネントの剛性を定量化します。
- 複合材料- 航空宇宙分野や自動車分野での層間せん断挙動の予測 - 人工材料の軽量化が不可欠 - 木材/木材のような天然複合材料。
- 地盤工学- 土木構造物を支える土壌や岩盤の安定性を分析します。
せん断弾性率計算のための一般的な試験規格とは？
材料の種類、産業用途、形状に応じて、いくつかの国際試験規格がせん断弾性率の測定手順を規定しています：
- ASTM D5379, ASTM D7078- 複合材料のVノッチビーム法
- ASTM D1002, ASTM D3163 - 結合金属と硬質プラスチックのシングルラップせん断試験
- ASTM D5656- 接着剤の厚物接着ラップせん断試験
- ASTM D3528, ASTM D3164- 二重およびサンドイッチラップせん断試験片を用いた接着剤および接着に関する規格
- ASTM C273- サンドイッチコア材料のせん断弾性率
- ASTM F606 および ISO 898- ボルトとファスナーのせん断試験
- ASTM E143- 構造用金属のねじりによるせん断弾性率
- ISO 15310- プラスチックのねじり試験方法
- ASTM D143、DIN 52367 / ISO 6238 / EN 392 / BS 373およびISO 898- 木材および接着剤接合木材のせん断強度
Mecmesin試験システムでせん断弾性率を測定できますか？
Mecmesinの試験システムは、さまざまな交換可能な治具を使用することができ、材料試験片やあらかじめ準備された試験片（例えば、重ね継手やサンドイッチ継手に接着されたもの、ファスナーで接続されたもの）をグリップすることができます。材料のひずみ変形測定には、非接触式または光学式の伸び計が利用できます。VectorPro試験ソフトウェアは、提供された形状寸法と記録された試験データに数式を適用して弾性率値を計算することができます。
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