【常务理事单位】中科院金属所《MRL》：重新审视多孔材料"硬度强度比"与"塑性泊松比"的关联

作为一种简单快捷的力学性能测试手段，硬度测试常被用来预测或估算材料的屈服强度。对于全致密固体材料，其硬度一般是强度的三倍左右，亦即H/σ_y ≈ 3。这是由于固体材料具有不可压缩性（塑性变形中体积保持不变；“塑性泊松比”=0.5），硬度测试中压头下方材料的塑性变形受到周边材料限制，导致硬度远高于压缩强度。不同于全致密材料，低密度多孔或泡沫材料具有可压缩性：其压缩变形主要源自于孔结构坍塌，材料横向变形较小，“塑性泊松比”接近0。低密度多孔材料在硬度测试压头下方的变形不受周边材料限制，硬度试验类似于压缩实验，硬度值和压缩强度相当，亦即H/σ_y ≈ 0。由此，“硬度强度比”（H/σ_y）常被作为反映材料可压缩性的变形约束因子。上世纪七十年代，Shaw和Sata在拟合聚合物、泡沫铝和钢等几种材料的数据后发现，随着“塑性泊松比”从0提高至0.5，其“硬度强度比”从1先急剧上升再缓缓趋近至3（如图1所示）。该曲线显示在较低“塑性泊松比”区间，材料（主要是泡沫材料）的“硬度强度比”对“塑性泊松比”极为敏感。该Shaw-Sata关系曲线在多孔材料领域被广泛接受和使用，并收录于多本经典专著或工具书中。

近期，中国科学院金属研究所金海军团队在纳米多孔金属中研究发现其“强度硬度比”和“塑性泊松比”之间缺乏相关性，与经典Shaw-Sata曲线严重不符。分析表明，该材料“强度硬度比”对“塑性泊松比”不敏感，而与“压缩应变硬化率”密切相关。这一结论有可能适用于大多数多孔材料。相应区间Shaw-Sata曲线的准确性及物理本质也需重新审视。相关工作以题为“On correlation between the hardness-to-strength ratio and the plastic Poisson’s ratio of nanoporous gold”的研究论文发表于Materials Research Letters上。论文的第一作者为刘凌志副研究员，博士研究生张烨元为共同第一作者，金海军研究员为通讯作者。中国科学院金属研究所为第一通讯单位。