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せん断弾性率（剛性率）
せん断弾性率の紹介
せん断弾性率（剛性率）は、材料のせん断応力変形に対する抵抗力を規定する重要な機械的特性のひとつである。つまり、材料の表面に平行な力が作用したときに、材料が「滑りにくい」度合いを示す尺度です。数学的には、せん断応力とせん断ひずみの比で表される。
金属における重要性
金属のせん断弾性率は、その剛性を示すだけでなく、機械部品の設計上の考慮事項にも影響します。エンジニアは、部品が永久的な損傷を受けることなく操作力に耐えられるように、スプリング、ギア、シャフト、ファスナーの変形を予測するためにこの値を使用します。例えば
- スチール：鋼鉄：せん断弾性率が80～85GPaの鋼鉄は、高層ビルの耐荷重梁に理想的です。
- アルミニウム：せん断弾性率が比較的低い（～26GPa）ため、自動車フレームなどの軽量構造でありながら、十分な剛性を確保することができる。
- チタン合金：中程度のせん断弾性率（～42GPa）と高い強度を併せ持ち、ジェットエンジン部品などの航空宇宙用途に最適。
せん断弾性率に影響する要因
1.温度
温度は剛性に大きく影響する。金属が加熱されると、そのせん断弾性率は低下する傾向があり、剛性は低下しますが、延性は高くなります。例えば
- 鋼のせん断弾性率は、常温で～82 GPaであったものが、500 °Cで～70 GPaに低下する。
- アルミニウムのせん断弾性率は、20 °Cの26 GPaから200 °Cの22 GPaに低下する。
これは、タービンブレードや自動車エンジン部品など、高温での使用において重要な挙動である。
2.合金組成
合金元素は、せん断弾性率を上下させる可能性がある。ケーススタディ
- 青銅（銅＋錫）：剪断弾性率は純銅の47GPaから青銅の30～40GPaに上昇。
- アルミニウム合金（Al＋CuまたはMg）：小規模の合金化により、せん断弾性率は26GPaから～28～30GPaに増加し、航空機の機体における機械的性能の向上につながる。
- チタン合金（Ti + Al + V）：チタン合金（Ti + Al + V）：せん断弾性率は約42GPaに維持されるが、引張強さはより大きく、この材料は高応力の航空宇宙用途に適している。
3.微細構造と粒径
金属中の結晶粒が小さいほど、転位の移動が妨げられるため、せん断弾性率は高くなる。例えば、冷間加工された鉄鋼梁は、同じ条件下で焼鈍された鉄鋼よりもわずかに高い剛性を示します。
せん断弾性率の用途
1.構造工学：せん断弾性率は、風力や地震力によるせん断応力に対する材料の抵抗力を計算することにより、建築物、橋梁、耐震構造物の設計に役立ちます。
2.機械部品：バネ、ショックアブソーバー、ギア、ベアリングの設計において重要な役割を担っており、永久変形することなくせん断力に抵抗または吸収する必要がある。
3.材料試験：金属、ポリマー、複合材料などの材料がどのようにせん断されるかを調べ、製造における品質と性能を実現する。
4.地盤工学：地下材料のせん断弾性率を分析することで、建設や基礎の地盤の安定性を確立するのに重要。
5.航空宇宙・自動車工学：剛性、安全性、性能のために、せん断応力に抵抗する自動車のシャーシや航空機の翼の設計を支援する。
6.製造：最適な製品品質を得るため、せん断力を受けて材料を成形する金属成形やプラスチック成形作業において重要。
一般的な材料のせん断弾性率
一般的な材料のせん断弾性率（G）の値の表です。せん断弾性率は、材料のせん断変形に対する抵抗力の尺度であり、材料の剛性と関連しています。
|
材料 |
せん断弾性率 (G) [GPa］ |
|
鋼 |
80 - 85 |
|
26 |
|
|
銅 |
47 |
|
42 |
|
|
コンクリート |
10 - 20 |
|
木材（木目に平行） |
0.5 - 2 |
|
ゴム（天然） |
0.001 - 0.01 |
|
ガラス |
30 - 40 |
|
鉄 |
80 |
|
青銅 |
30 - 40 |
|
鉛 |
0.015 |
|
プラスチック（ポリエチレン） |
0.5 - 1 |
|
30 - 50 |
|
|
ガラス繊維 |
25 - 40 |
この表は、金属、ポリマー、セラミック、および複合材料の剛性の範囲を示し、せん断弾性率がいかに多くの桁にまたがっているかを示しています。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
せん断弾性率とは何ですか？
せん断弾性率とは、材料のせん断応力変形に対する抵抗力を測定するもので、材料の剛性を示します。
なぜ金属でせん断弾性率が重要なのですか？
せん断弾性率は、ねじりやせん断力を受けたときの金属の挙動を予測するために利用されます。
温度はせん断弾性率にどのような影響を与えますか？
温度を上げるとせん断弾性率は低下し、金属はより延性的になりますが、剛性は低下します。
合金元素は金属のせん断弾性率を変えることができますか？
はい、合金化することにより、エンジニアは特定の用途のために剛性を設計することができます。
せん断弾性率はどのように測定するのですか？
既知のせん断応力を加え、その結果生じるせん断ひずみを観察し、応力とひずみの比を計算します。
Chin Trento
