전단 계수 설명:정의, 일반적인 값 및 실제 예

전단 계수 다이어그램에서 Δx는 변위, l은 초기 길이, θ는 변위 각도, A는 면적, F는 힘입니다.

이는 인장력이나 압축력으로 인한 변형에 대한 재료의 저항을 나타내는 영률(또는 탄성 계수)과는 다릅니다. 그러나 이러한 개념(균일한 힘이나 압력 하에서의 체적 계수와 함께)은 모두 Hooke의 법칙에서 비롯됩니다. 로버트 훅(Robert Hooke)은 17세기에 재료(그의 경우 스프링)가 겪는 변형은 재료에 가해지는 힘에 비례한다는 사실을 확인했습니다.

전단 계수의 개념은 19세기에 Augustin-Louis Cauchy가 전단 계수 방정식을 도출하면서 더욱 발전했습니다. 전단 계수를 측정하는 실험 방법은 20세기 초에야 개발되었습니다.

전단 계수의 SI(Système International) 단위는 압력 단위와 동일한 파스칼(Pa)입니다. 그러나 일반적으로 측정되는 값으로 인해 대부분의 전단 계수는 기가파스칼(GPa) 단위, 즉 1x109Pa로 보고됩니다.

전단 계수의 예는 무엇입니까?

전단 계수의 예는 대형 건물을 만드는 데 사용되는 구조용 강철에서 발생합니다. 구조용 강철은 인장력과 압축력을 견뎌야 하며, 두 가지 모두 영률을 통해 쉽게 설명할 수 있습니다. 그러나 바람 하중과 같은 외부 힘은 구조에 비틀림 응력을 가할 수 있습니다. 이는 강철 부재에 전단 응력을 유발합니다. 강철은 전단 계수가 매우 높기 때문에 이러한 구조 부재의 재료로 선택됩니다. 놀라울 정도로 견고하며 전단력으로 인한 변형에 강합니다.

전단 계수 값은 무엇입니까?

다양한 일반 재료의 전단 계수 값 범위는 아래 표 1에 나와 있습니다.

금속은 상대적으로 높은 전단 계수를 가지며, 예를 들어 부드러운 쪽의 납부터 더 단단한 쪽의 스테인리스강에 이르기까지 다양합니다. 콘크리트, 유리, 목재와 같은 다른 재료는 유사한 강성 값을 나타내지만 척도의 하단으로 갈수록 떨어집니다. 플라스틱의 경우 전단 계수가 훨씬 낮아서 눈에 띄게 낮은 강성 값을 나타냅니다. 고무는 특히 낮은 강성으로 인해 가치가 높은 고체(점탄성) 재료의 예로 제공됩니다.

전단탄성계수 값은 어떻게 표현되나요?

전단 계수 값은 가장 자주 기가파스칼로 표시됩니다. 모듈러스는 재료에 가해지는 전단 응력(단위 면적당 힘)과 재료 표면의 전단 변형(또는 변위) 사이의 비율입니다. 결과는 기술적으로 파스칼 단위의 단일 값으로 표현됩니다. 그러나 가장 유용한 전단 계수 값(예:일반 금속)은 5x1010 Pa 범위에 있기 때문에 전단 계수 값은 일반적으로 기가파스칼(GPa) 단위를 사용하여 표현됩니다. 그러면 번거로운 5x1010 Pa 값이 50 GPa의 전단 계수로 바뀌므로 보고가 훨씬 쉬워집니다.

전단 계수 값은 psi 단위로 표시할 수도 있지만 크기 때문에 값을 과학적 표기법으로 표시해야 합니다. 따라서 50GPa의 예시 전단 계수는 7.3x106psi로 표현됩니다.

고전단 계수는 무엇을 나타냅니까?

높은 전단 계수는 상당한 응력에 의해 쉽게 변형되지 않는 매우 견고한 재료를 나타냅니다. 이는 재료가 단단하다는 것을 나타냅니다. 대부분의 연금속의 전단 계수가 40GPa 이하이므로 50GPa 이상의 전단 계수는 일반적으로 높은 것으로 간주됩니다. 그러나 높거나 낮은 모듈러스라는 이름은 특정 용도에 따라 크게 달라집니다. 전단 계수는 해당 응용 분야의 요구 사항과 엔지니어링 공간을 공유하는 기타 재료를 고려하여 고려해야 합니다. 

낮은 전단 계수는 무엇을 나타냅니까?

낮은 전단 계수는 상대적으로 변형이 쉬운 재료를 나타냅니다. 재료에 약간의 응력(단위 면적당 힘)이 가해지면 재료가 변형됩니다. 일반적으로 말하면, 10GPa 미만의 전단 계수는 낮은 것으로 간주될 수 있습니다. 한 사람이 큰 어려움 없이 이러한 재료를 손으로 변형할 수 있습니다. 그러나 모든 재료의 전단 계수의 적합성은 해당 응용 분야와 고려할 수 있는 잠재적인 대체 재료를 기준으로 판단해야 합니다.

전단 계수가 가장 높은 재료는 무엇입니까?

다이아몬드는 일반적으로 480-520 GPa 범위로 보고되는 가장 높은 알려진 전단 계수를 가지고 있습니다. 이는 대부분의 금속보다 훨씬 높은 수준입니다. 또한 다이아몬드는 영률이 가장 높아 세계에서 가장 단단한 천연 소재로 유명합니다. 다이아몬드는 매우 단단합니다. 큰 응력(힘)을 받는 경우에도 변위가 거의 발생하지 않습니다(변형률이 낮음).

다이아몬드는 탄소 격자의 공유 결합으로 인해 전단 계수가 가장 높습니다. 탄소 원자는 특정 다이아몬드 입방체 결정 구조를 형성하여 매우 단단하게 채워져 격자를 매우 단단하게 만듭니다. 그러나 다이아몬드는 특정 평면을 따라 쪼개질 수 있기 때문에 깨지는 것에 특별히 저항하지 않습니다.

전단 계수는 어떻게 결정되나요?

전단 계수를 결정하기 위해 다양한 테스트를 사용할 수 있으며, 테스트할 재료의 특성에 따라 장비와 방법이 다양해집니다. 고체 재료에 대한 대부분의 테스트는 막대 또는 중공 실린더의 회전 비틀림을 기반으로 합니다. 예를 들어, ASTM D2236 표준은 끝에 진자(큰 디스크)가 있는 속이 빈 원통을 사용하고 디스크에 먼저 한 방향으로 비틀림(회전)을 부여한 다음 다른 방향으로 전달합니다. 이 비틀림 진자의 주기(즉, 피크 사이의 시간)를 측정하여 전단 계수를 계산할 수 있습니다.

또 다른 방법은 정적 비틀림 테스트입니다. 이 시험은 재료의 막대를 사용하여 설정된 각도 거리만큼 비틀어 응력을 측정하는 것입니다. 이러한 방식으로 재료에 대한 응력 대 변형률 관계를 플롯할 수 있습니다. 다양한 ASTM 표준 테스트 방법은 구조 재료에 대한 ASTM E143 또는 금속 와이어에 대한 ASTM A938과 같은 전단 계수를 측정하기 위해 정적 비틀림 테스트를 적용합니다. 

전단 계수 방정식이란 무엇입니까?

전단 계수는 대문자 G로 표시됩니다. 일부 상황에서는 기호 S 또는 μ가 전단 계수에도 사용되었지만 덜 일반적입니다. 전단 계수의 방정식은 다음과 같습니다. 

이는 xy 평면에서 전단 변형률(γ)에 대한 전단 응력(τ)의 비율입니다.

전단 계수와 영률의 차이점은 무엇입니까?

전단 계수와 영률의 차이를 이해하려면 먼저 영률이 응력(특히 압축 또는 인장 응력) 대 변형률의 비율이라는 점을 이해해야 합니다. 고체의 강성을 나타내며 탄성계수라고도 합니다.

전단 계수는 유사한 개념이지만 압축 또는 인장력이 아닌 전단력 하에서 응력 대 변형률의 비율을 나타냅니다. 따라서 영률과 동일한 측정값은 아니지만 종종 유사한 값을 갖습니다. 전단 계수는 강성 계수라고도 합니다.

포아송 비를 사용하여 구한 체적 계수와 마찬가지로 두 계수는 일반적으로 서로 관련되어 있습니다. 재료가 이러한 각 속성에 대해 Hooke의 법칙을 따른다고 가정하면(변형은 적용된 응력에 비례함) 각 값은 다음 관계를 통해 대략적으로 계산할 수 있습니다.

2G(1+υ) =E =3K(1−2υ)

장소:

G - 전단 계수

E - 영률

K - 체적 계수

υ - 푸아송비

면책조항

이 웹페이지에 나타나는 콘텐츠는 정보 제공의 목적으로만 제공됩니다. Xometry는 정보의 정확성, 완전성 또는 유효성에 대해 명시적이든 묵시적이든 어떠한 종류의 표현이나 보증도 하지 않습니다. Xometry의 네트워크를 통해 제3자 공급업체 또는 제조업체가 제공할 제품을 나타내기 위해 모든 성능 매개변수, 기하학적 공차, 특정 설계 기능, 품질 및 재료 유형 또는 프로세스를 추론해서는 안 됩니다. 부품 견적을 원하는 구매자는 해당 부품에 대한 특정 요구 사항을 정의할 책임이 있습니다. 자세한 내용은 이용약관을 참조하세요.

딘 맥클레먼츠

Dean McClements는 기계공학 학사 우등 졸업생으로 제조 업계에서 20년 이상의 경력을 보유하고 있습니다. 그의 전문적인 경력에는 Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace 및 Hyster-Yale과 같은 선두 기업에서 중요한 역할이 포함되며, 그곳에서 그는 엔지니어링 프로세스 및 혁신에 대한 깊은 이해를 발전시켰습니다.

Dean McClements의 기사 더 읽기