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材料硬度弹性模量能量耗散之关系
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材料硬度弹性模量能量耗散之关系 来源：沈阳材料科学国家(联合)实验室 | 作者：末知 | 编辑：aqlove 固体材料弹性模量与硬度是否存在本征关系？如果存在，它是怎样的一种关系？这种问题一直吸引材料科学家和机械工程师的兴趣。 固体材料的压痕加载过程中弹塑性局部变形确定了材料的硬度和外力做功，卸载过程弹性恢复反映了材料局部的能量耗散和弹性模量。基于这种思路和卸载过程的弹性理论，我室高性能陶瓷研究部的研究人员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， ，它反映了材料在压痕加载-卸载过程中的能量耗散。其中，Pm 是载荷，hs是压痕边缘线在载荷方向的弹性恢复位移。从而获得接触模量 、硬度 和恢复阻力 三者之间的理论关系： （对于Berkovich或 Vickers压头， 为0.6647。材料的弹性模量可由接触模量确定）。 这三个参数之间只有两个是独立的。假如其中两个参数已知，可预测第三个参数的值。因此，任何一种材料的能量耗散能力可以很方便地通过材料的硬度和弹性模量来评价，同时对于已知能量耗散能力的材料，弹性模量可以从硬度值估测。这对于材料设计和结构设计以及材料性能预测均具有重要意义。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”。 该研究结果表明几种材料参数有如下所示的关系：a) 对于弹性模量相近的材料，硬度越低，在接触或挤压过程中局部能量耗散就越大，应力波传播距离小，不容易引起整体破坏，或者说材料具有脆性低，断裂阻力高的特点。b) 硬度与模量的比值越小，压痕局部的弹性恢复越小，卸载后的残余压痕越深。c) 对恢复阻力相同的材料，弹性模量与硬度的平方根成正比关系。因此，在选材或可靠性评价方面，很多材料性能，如脆度、局部能量耗散能力、弹性恢复能力、阻力特性、导波速率等都可以通过硬度和模量简单地估测和比较。同时，该研究也说明了弹性模量与硬度两个参数在理论上不存在独立的关系，它们的关系一定要随材料的能量吸收能力而变。 |
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