什么是剪切模量？
剪切模量定义了材料在剪切力作用下抵抗形状改变的能力——剪切力是指平行平面相互滑动的力。如果一个立方体受到一个平行于其顶面的力和一个大小相等、方向相反的平行于其底面的力，那么它的侧视图将变形为梯形。
剪切模量是主要的弹性模量之一，与杨氏模量和体积模量并列。剪切模量用G表示，其计算方法是弹性区域内剪切应力与剪切应变的比值。该特性在涉及扭转、弯曲或横向载荷的应用中至关重要，例如轴、粘合剂和弹性体。
剪切模量公式
在哪里：
- G为剪切模量（Pa 或 N/m²）
- τ是施加的剪切应力（单位面积上的力，N/m²）。
- γ是剪切应变（角度变形，单位为弧度）。
该公式表示材料在受到剪切力（应力）作用时发生形变（应变）的程度，只要材料表现为弹性，即当力移除后恢复到其原始形状，该公式就有效。
剪切模量方程
剪切模量 (G) 和杨氏模量 (E) 都是衡量材料刚度的指标，但它们是在不同类型的载荷作用下测得的。杨氏模量描述材料在轴向载荷作用下的拉伸或压缩情况，而剪切模量描述材料在剪切力或扭转力作用下的形变情况。
对于各向同性、线弹性材料，它们之间的数学关系可以用以下公式表示：
在哪里：
- G = 剪切模量
- E = 杨氏模量
- ν = 泊松比（横向应变与轴向应变之比）
这种关系意味着，如果已知这三个性质中的任意两个，就可以计算出第三个。它还突显了泊松比如何影响材料内部的应变分布以及其在剪切和拉伸下的整体刚度。
剪切模量越高，表明材料刚度越大；金属和陶瓷的剪切性能优异——复合材料也因其轻质特性而表现出色——而橡胶等柔性材料的剪切模量则低得多。为了便于计算，刚性模量通常以吉帕斯卡 (GPa) 为单位。
常见材料类型的典型G值比较
| 材料 | G（GPa） | 类型 |
|---|---|---|
| 钻石 | 478 | 陶瓷制品 |
| 氧化铝 | 150 | 陶瓷制品 |
| 钨 | 161 | 金属 |
| 硝酸铝 | 130 | 陶瓷制品 |
| 碳钢 | 77 | 金属 |
| 球墨铸铁 | 64.5 | 金属 |
| 铜 | 45 | 金属 |
| 铝 | 28 | 金属 |
| 玻璃陶瓷 | 26.2 | 陶瓷制品 |
| 具体的 | 21 | 合成的 |
| 凯夫拉 | 19 | 合成的 |
| 木材，花旗松 | 13 | 合成的 |
| 聚乙烯 | 0.12 | 聚合物 |
| 橡皮 | 0.0003 | 聚合物 |
关于剪切模量的常见问题
如何测试剪切模量？
剪切模量是通过扭转试验或剪切试验夹具对固体或粘合试样进行测量的。在扭转试验中，扭矩施加在试样（通常为圆形或管状）的一端，而另一端保持固定。由此产生的角度变形用于计算剪切应变。
拉伸或压缩剪切试验常用于评估粘合剂、泡沫材料和层状复合材料的性能。该试验在平行平面上施加拉伸或压缩力，使材料试样产生角度变形或使粘合面之间发生滑动。诸如V形缺口梁试验和搭接剪切试验等方法可提供可控的加载条件，从而准确评估平面或粘合材料的剪切强度和刚度。
剪切模量在哪些应用中是一项重要的性能指标？
剪切模量的测定在众多行业中至关重要，因为在这些行业中，材料性能或接头处的运动必须得到控制：
- 机械和土木工程——评估轴和梁的扭转刚度，以及结构接头中螺栓和紧固件的强度。
- 粘合剂和密封剂测试——剪切失效是主要失效模式。
- 弹性体开发——量化垫片、密封件和阻尼部件的刚度。
- 复合材料——预测航空航天和汽车领域的层间剪切行为——工程材料的轻质至关重要——以及木材/木材等天然复合材料。
- 岩土工程——分析土木基础在支撑土木工程结构中的稳定性。
剪切模量计算的常用测试标准有哪些？
根据材料类型、行业应用和几何形状，多个国际测试标准定义了剪切模量的测量程序：
- ASTM D5379、ASTM D7078 - 复合材料V型缺口梁测试方法
- ASTM D1002、ASTM D3163 - 粘合金属和刚性塑料的单搭接剪切试验
- ASTM D5656 - 粘合剂厚粘接层搭接剪切试验
- ASTM D3528、ASTM D3164 - 采用双搭接剪切和夹层搭接剪切试样的粘合剂和粘接剂标准
- ASTM C273 - 夹芯材料的剪切模量
- ASTM F606 和 ISO 898 - 螺栓和紧固件的剪切试验
- ASTM E143 - 结构金属的扭转剪切模量
- ISO 15310 - 塑料扭转试验方法
- ASTM D143、DIN 52367 / ISO 6238 / EN 392 / BS 373 和 ISO 898 - 木材和胶合木接头的剪切强度。
Mecmesin测试系统能否测量剪切模量？
Mecmesin 测试系统可兼容多种可互换夹具，用于夹持材料测试样品或预制试样（例如，粘合成搭接接头或夹层接头，或通过紧固件连接）。该系统提供非接触式或光学引伸计，用于测量材料的应变变形。VectorPro 测试软件可根据提供的几何尺寸和记录的测试数据，应用数学方程计算模量值。
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