โมดูลัสเฉือนคืออะไร?
โมดูลัสเฉือน (Shear modulus) คือค่าความต้านทานของวัสดุต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่างภายใต้แรงเฉือน โดยที่ระนาบขนานจะเลื่อนผ่านกัน หากลูกบาศก์ได้รับแรงขนานกับผิวหน้าด้านบน และแรงขนานกับผิวหน้าด้านล่างในทิศทางตรงกันข้ามในขนาดเท่ากัน มุมมองด้านข้างของลูกบาศก์จะบิดเบี้ยวเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู
โมดูลัสเฉือนเป็นหนึ่งในโมดูลัสความยืดหยุ่นหลัก ควบคู่ไปกับโมดูลัสของยังและโมดูลัสของมวล แสดงโดย G คำนวณเป็นอัตราส่วนของความเค้นเฉือนต่อความเครียดเฉือนภายในช่วงยืดหยุ่น คุณสมบัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแรงบิด การดัด หรือแรงกดด้านข้าง เช่น ในเพลา กาว และอีลาสโตเมอร์
สูตรโมดูลัสเฉือน
ที่ไหน:
- G คือโมดูลัสเฉือน (Pa หรือ N/m²)
- τ คือแรงเฉือนที่ใช้ (แรงต่อหน่วยพื้นที่, N/m²)
- γ คือความเครียดเฉือน (การเสียรูปเชิงมุม เป็นเรเดียน)
สูตรนี้แสดงถึงระดับการเสียรูป (ความเครียด) ของวัสดุเมื่อได้รับแรงเฉือน (ความเค้น) โดยสูตรนี้จะยังคงใช้ได้ตราบเท่าที่วัสดุยังคงมีความยืดหยุ่น กล่าวคือ กลับคืนสู่รูปร่างเดิมเมื่อแรงถูกเอาออก
สมการโมดูลัสเฉือน
โมดูลัสเฉือน (G) และโมดูลัสของยัง (E) ต่างก็เป็นหน่วยวัดความแข็งของวัสดุ แต่ภายใต้แรงกระทำที่แตกต่างกัน โมดูลัสของยังอธิบายถึงการยืดหรือการบีบอัดของวัสดุภายใต้แรงกระทำตามแนวแกน ในขณะที่โมดูลัสเฉือนอธิบายถึงการเสียรูปของวัสดุเมื่อได้รับแรงเฉือนหรือแรงบิด
สำหรับวัสดุไอโซทรอปิกที่มีความยืดหยุ่นเชิงเส้น มีความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ตามสูตรต่อไปนี้:
ที่ไหน:
- G = โมดูลัสเฉือน
- E = โมดูลัสของยัง
- ν = อัตราส่วนปัวซอง (อัตราส่วนของความเครียดด้านข้างต่อแกน)
ความสัมพันธ์นี้หมายความว่า หากทราบคุณสมบัติใดๆ สองประการนี้ ก็สามารถคำนวณคุณสมบัติที่สามได้ นอกจากนี้ ยังเน้นย้ำว่าอัตราส่วนปัวซองส่งผลต่อการกระจายตัวของความเครียดภายในวัสดุ และความแข็งโดยรวมของวัสดุในอัตราส่วนแรงเฉือนเทียบกับแรงดึงอย่างไร
ค่าโมดูลัสเฉือนที่สูงบ่งชี้ถึงความแข็งที่สูงกว่า โลหะและเซรามิกส์มีประสิทธิภาพในการรับแรงเฉือนได้ดี เช่นเดียวกับวัสดุผสมที่มีน้ำหนักเบา ในขณะที่วัสดุที่มีความยืดหยุ่น เช่น ยาง มีค่าต่ำกว่ามาก ค่าโมดูลัสความแข็งมักจะระบุเป็น GPa เพื่อให้ง่ายต่อการจัดการ
การเปรียบเทียบค่า G ทั่วไปของวัสดุประเภททั่วไป
| วัสดุ | จี (เกรดเฉลี่ย) | พิมพ์ |
|---|---|---|
| เพชร | 478 | เซรามิก |
| อะลูมินา | 150 | เซรามิก |
| ทังสเตน | 161 | โลหะ |
| อะลูมิเนียมไนเทรด | 130 | เซรามิก |
| เหล็กกล้าคาร์บอน | 77 | โลหะ |
| เหล็กเหนียว | 64.5 | โลหะ |
| ทองแดง | 45 | โลหะ |
| อะลูมิเนียม | 28 | โลหะ |
| แก้ว-เซรามิก | 26.2 | เซรามิก |
| คอนกรีต | 21 | คอมโพสิต |
| เคฟลาร์ | 19 | คอมโพสิต |
| ไม้ ดักลาสเฟอร์ | 13 | คอมโพสิต |
| โพลีเอทิลีน | 0.12 | โพลิเมอร์ |
| ยาง | 0.0003 | โพลิเมอร์ |
คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับโมดูลัสเฉือน
โมดูลัสเฉือนทดสอบอย่างไร?
โมดูลัสเฉือนวัดโดยการทดสอบแรงบิดหรืออุปกรณ์ทดสอบแรงเฉือนที่ใช้กับชิ้นงานที่เป็นของแข็งหรือชิ้นงานที่ยึดติด ในการทดสอบแรงบิด แรงบิดจะถูกใช้กับปลายด้านหนึ่งของชิ้นงาน (โดยปกติจะเป็นทรงกลมหรือทรงกระบอก) ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งยังคงยึดอยู่กับที่ การเปลี่ยนรูปเชิงมุมที่เกิดขึ้นจะถูกนำไปใช้ในการคำนวณความเครียดเฉือน
การทดสอบแรงเฉือนภายใต้แรงดึงหรือแรงอัด มักใช้เพื่อประเมินกาว โฟม และวัสดุผสมแบบหลายชั้น โดยจะใช้แรงดึงหรือแรงอัดในแนวขนานเพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการเสียรูปเชิงมุมในชิ้นงานวัสดุหรือการเลื่อนไถลระหว่างพื้นผิวที่ยึดติด วิธีการต่างๆ เช่น คานบากรูปตัววีและการทดสอบแรงเฉือนแบบเหลื่อมซ้อน ให้สภาวะการรับน้ำหนักที่ควบคุมได้ เพื่อประเมินความแข็งแรงและความแข็งเฉือนในวัสดุแบนหรือวัสดุที่ยึดติดได้อย่างแม่นยำ
โมดูลัสเฉือนเป็นคุณสมบัติที่สำคัญในแอปพลิเคชันใด
การกำหนดค่าโมดูลัสเฉือนมีความสำคัญในอุตสาหกรรมที่หลากหลายซึ่งจำเป็นต้องควบคุมประสิทธิภาพของวัสดุหรือการเคลื่อนที่ในข้อต่อ:
- วิศวกรรมเครื่องกลและโยธา - การประเมินความแข็งแรงของแรงบิดในเพลาและคาน และความแข็งแรงของสลักเกลียวและตัวยึดในข้อต่อโครงสร้าง
- การทดสอบกาวและสารเคลือบหลุมร่องฟัน - โดยที่ความล้มเหลวจากการเฉือนเป็นโหมดความล้มเหลวหลัก
- การพัฒนาอีลาสโตเมอร์ - การวัดความแข็งสำหรับปะเก็น ซีล และส่วนประกอบการหน่วง
- วัสดุคอมโพสิต - การคาดการณ์พฤติกรรมการเฉือนระหว่างแผ่นในภาคอวกาศและยานยนต์ - ความเบาของวัสดุวิศวกรรมมีความจำเป็น - และวัสดุคอมโพสิตจากธรรมชาติ เช่น ไม้/ไม้เนื้อแข็ง
- วิศวกรรมธรณีเทคนิค - การวิเคราะห์เสถียรภาพของฐานดินและหินในการรองรับโครงสร้างวิศวกรรมโยธา
มาตรฐานการทดสอบทั่วไปสำหรับการคำนวณโมดูลัสเฉือนคืออะไร
มาตรฐานการทดสอบสากลหลายฉบับกำหนดขั้นตอนในการวัดโมดูลัสเฉือน โดยขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุ การใช้งานในอุตสาหกรรม และรูปทรงเรขาคณิต:
- ASTM D5379, ASTM D7078 - วิธีการคานแบบ V-notched สำหรับวัสดุผสม
- ASTM D1002, ASTM D3163 - การทดสอบแรงเฉือนแบบทับครั้งเดียวสำหรับโลหะที่ยึดติดและพลาสติกแข็ง
- ASTM D5656 - กรรไกรตัดแบบยึดติดหนาสำหรับกาว
- ASTM D3528, ASTM D3164 - มาตรฐานสำหรับกาวและพันธะโดยใช้ตัวอย่างแบบเฉือนซ้อนสองชั้นและแบบแซนวิช
- ASTM C273 - โมดูลัสเฉือนของวัสดุแกนแซนวิช
- ASTM F606 และ ISO 898 - การทดสอบแรงเฉือนของสลักเกลียวและตัวยึด
- ASTM E143 - โมดูลัสเฉือนโดยการบิดสำหรับโลหะโครงสร้าง
- ISO 15310 - วิธีทดสอบแรงบิดสำหรับพลาสติก
- ASTM D143, DIN 52367 / ISO 6238 / EN 392 / BS 373 และ ISO 898 - ความแข็งแรงในการเฉือนของไม้และข้อต่อไม้ที่ยึดด้วยกาว
ระบบทดสอบของ Mecmesin สามารถวัดโมดูลัสเฉือนได้หรือไม่
ระบบทดสอบของเมกมีซินสามารถรองรับอุปกรณ์จับยึดแบบถอดเปลี่ยนได้หลากหลายชนิด เพื่อจับยึดตัวอย่างทดสอบวัสดุหรือชิ้นงานที่เตรียมไว้ล่วงหน้า (เช่น ยึดติดเข้ากับข้อต่อแบบซ้อนหรือแบบประกบ หรือเชื่อมต่อผ่านตัวยึด) มีเครื่องมือวัดแบบไม่สัมผัสหรือแบบออปติคัลสำหรับการวัดการเสียรูปของความเครียดของวัสดุ ซอฟต์แวร์ทดสอบ VectorPro สามารถใช้สมการทางคณิตศาสตร์กับมิติทางเรขาคณิตที่ให้มาและข้อมูลการทดสอบที่บันทึกไว้ เพื่อคำนวณค่าโมดูลัส
Mecmesin recommends...
Standards
Featured or equivalent test standards for Mecmesin solutions in this section