機械性質

剪力模數(shear modulus)

把一疊厚厚的撲克牌頂端往側邊推、底端固定不動,整疊就傾斜成一個斜的平行四邊形——各層相互滑動,而整疊並沒有變長。這種側向、扭轉形狀的變形叫剪切,而剪力模數衡量材料對它的抵抗:對被歪斜或扭轉(而非拉伸)有多剛硬。

它定義為 G = 剪應力 / 剪應變,其中剪應力 tau 是平行於某表面作用的力除以該面積,剪應變則是傾斜角(以弧度計)。對等向性材料,它與楊氏模數和蒲松比由 G = E / (2 x (1 + nu)) 相連;當 nu 約 0.3,就使 G 大約是 0.38 x E。對 E = 200 GPa 的鋼,G 約 80 GPa。和楊氏模數一樣,它由鍵的剛硬決定,以 GPa 表示。

剪力模數是主宰扭轉的性質,所以它掌控任何承受扭矩之物的設計:傳動軸、扭桿、彈簧與螺栓。舉例來說,螺旋彈簧幾乎完全靠扭轉它的鋼線來運作,所以它的剛度取決於 G,而非 E。陶瓷與金屬的剪力模數高、剛硬地抵抗扭轉;高分子、尤其橡膠的很低,這正是橡膠襯套能吸收扭轉振動的原因。

汽車的扭桿懸吊與螺旋彈簧都靠扭轉金屬來儲能——它們的剛度來自剪力模數 G(鋼約 80 GPa),而非楊氏模數。

剪力模數主宰扭轉與滑動;對金屬而言大約是楊氏模數的三分之一。

別把剪力模數(扭轉時的彈性剛度)與剪切強度(剪切破壞時的應力)搞混。對等向性材料,G、E 與蒲松比並非各自獨立——任兩個就決定第三個。

又称
modulus of rigidityG剪切模數剛性模數