表面能引起的尺寸依赖屈服硬度

纳米压痕中的尺寸依赖硬度早已有报道，但相应的解释仍在探索中。本文研究了球形压痕下表面能对材料硬度的影响。为评估材料抵抗压痕的能力，本文将屈服硬度定义为材料屈服起始时的接触压力。研究发现，在传统连续介质力学中，该定义的硬度是一个仅依赖于屈服强度和泊松比的本征材料属性。随后，通过有限元模拟分析了表面能对屈服硬度的影响。利用量纲分析，得到了屈服硬度和屈服起始临界压痕深度对表面能的依赖关系。当屈服强度与表面能密度与压头半径之比相当时，表面能将改变屈服硬度和临界压痕深度。随着压头尺寸减小至纳米尺度，屈服硬度和压痕深度都将显著增加。本研究为硬度的尺寸依赖性提供了一种可能的解释，并为通过纳米压痕测量固体的屈服强度和表面能提供了一种潜在方法。