材料硬度-弹性模量-能量耗散之关系沈阳材料科学国家（联合）试验室高.PDF

材料硬度-弹性模量-能量耗散之关系 沈阳材料科学国家（联合）实验室 高性能陶瓷材料研究部 包亦望 编者按：最近，我所沈阳材料科学国家（联合）实验室高性能陶瓷材料研究部包亦望研 究员发现并证明了材料硬度-弹性模量-能量耗散三者之间的本征关系，该工作被 Acta Materialia审稿人评价为“确实是对纳米压痕领域的一个新贡献”。 弹性模量和硬度是固体结构材料的两个重要参数，它们之间是否存在本征关系？如果存 在，又是怎样的一种关系呢？这个问题一直吸引着材料科学家和机械工程师的兴趣。从统计 的角度来看，通常认为弹性模量随着硬度的增大而增大，但这种趋势没有坚实的理论依据， 且并不是对所有材料都适用。如三元层状陶瓷就具有较低的硬度，而具有较大的弹性模量。 另一个经常用于估算膜的弹性模量的关系为： ，式中 为压 (2 / 3)[1 ln( cos /H3 )] + E θ σ σ σ y y y 缩屈服应力，而θ为压头的半角。由于此式的理论基础不明确，从而限制了它的应用。采用 此式计算Ti SiC 的弹性模量为1188 GPa，比实际测量值310 GPa高很多。正鉴于此，有必要 3 2 对硬度和弹性模量之间的关系进行进一步的研究。 位移敏感压痕技术的进步使我们可以根据精确测量得出的载荷——位移曲线数据，来确 定材料的弹性模量和硬度值，从而为研究二者之间的关系提供了恰当的实验手段。另外， Oliver-Pharr基于弹性接触理论而提出的测试方法使我们能够建立弹性模量和硬度的理论关 系。在对固体材料进行压痕实验时，加载过程中的弹塑性局部变形决定了材料的硬度和外力 做功，而卸载过程中的弹性恢复则反映了材料局部的能量耗散和弹性模量。基于这种思路和 应用于卸载过程的弹性接触理论，我们证明了固体材料的弹性模量与硬度之间的关系取决于 材料的能量耗散能力(Acta Materialia 52(2004):5397) 。即材料的局部能量耗散越大，则硬度和 弹性模量的比值越小，同时压痕周围的弹性恢复也越小。为了简明化，定义了一个新材料参 数—恢复阻力， 2 ，它反映了材料在压痕加载－卸载过程中的能量耗散，式中P 是 R P h m s m s E 最大载荷，h 是压痕边缘线在载荷方向的弹性恢复位移（图1）。从而获得接触模量 、硬度 s r H 和恢复阻力R 三者之间的理论关系：E D HR （对于Berkovich或 Vickers压头，D 为 s r s E 2 2 ν 0.6647 ）。材料的弹性模量E 可由接触模量 确定，即 （E ， 1/ (1 ) / r (−1 ) / +E − ν E ν E r i i