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从压痕测量弹塑性特性的唯一性
压痕被广泛用于测量材料的力学性能，如硬度、弹性模量和断裂韧性(用于脆性材料)。可以用压痕直接从测量的力-位移曲线中提取材料的弹塑性特性吗?或者简单地说，是否可以从相应的压痕载荷-位移曲线中得到材料的应力-应变曲线?在JMPS即将发表的一篇题为"从压痕测量弹塑性特性的唯一性:难以分辨的神秘材料，"哥伦比亚大学和日本国防学院的同事们展示了“神秘材料”的存在，这种材料具有独特的弹塑性特性，但即使压痕角度在很大范围内变化，它们也能产生几乎相同的压痕行为。因此，这些神秘的材料在许多现有的压痕分析中是无法区分的，除非使用极端的压痕角度(通常是不切实际的)。作者已经建立了推导这些神秘材料的明确程序。在许多情况下，对于一个给定的压头角范围，一种材料会有无数个神秘的兄弟姐妹，并且还可以得到神秘材料的存在图。此外，他们提出了两种不同的技术来有效地区分这些神秘的材料。本文的研究解决了压痕试验的唯一性这一重要问题，并为正确使用压痕技术测量材料弹塑性性能提供了有益的指导。
评论
谢谢你对我们的工作感兴趣
小东,
谢谢你对我们的工作感兴趣。正如你可能同意的那样，在压痕力学中还有许多未解决的问题，这个领域还远远没有饱和。神秘材料只是其中一个例子，你们小组在压痕领域也做了不少有趣的工作。我们第一次报道了神秘物质的概念帖子在iM万博manbetx平台echanica，我很高兴看到其他的iMechanica跟进。万博体育平台
西
纳米压痕在纳米力学中应该有更多的应用
我很高兴看到您的论文引发了更多关于纳米压痕及其应用的讨论。特别是，我在你的论文中看到了力学和材料科学之间的联系(我个人喜欢这样的论文)。我希望看到更多来自您的小组和我们社区的其他小组关于纳米压痕的论文。希望有一天，在纳米压痕技术进步的帮助下，人们可以从一个压痕载荷-位移曲线中测量几乎所有的性能。我期待着那一天的到来。
粘弹性材料也表现出类似的行为吗?
西
神奇的纸。我相信缩进社区将对这一发现高度感兴趣。
我正在研究粘弹性材料压痕试验的反有限元分析。我想过独特性问题，但没有头绪。在一个简单的粘弹性模型(比如开尔文模型)中，有三个未知参数:E、粘度eta和泊松比v。
对此有何评论?
开封
你在实验中测量什么?
开封,
谢谢你！你能不能更具体一点，关于你在实验中测量什么，例如，连续的力-位移关系，或者你保持在最大负载，等等?这个问题实际上取决于你能测量多少真正独立的压痕变量，而不是未知的材料特性。
西
压痕深度-力实验
西
我用的是典型的高压电子纳米压头。所以实际上测量的变量是载荷和位移。为了研究粘弹性效应，采用了蠕变式载荷函数(保持时间最大为10秒左右)。负载)。这有用吗?
开封
这取决于你用的是哪种粘弹性材料
开封,
如果你使用开尔文的模型，它不能应用于恒应变的应力松弛(即保持)。如果你使用其他模型，材料参数的数量将会更多。根据我的直觉，通过一个简单的测试，在恒定的加载速率和持有量下，很难唯一地解决所有这些材料参数，可能您需要在其他速率和循环加载下进行测量，和/或使用非常不同的压头几何形状。目前我们在粘弹性压痕问题上没有太多经验。对这个问题的更详细的调查应该是有趣的，我们小组可能会在未来考虑。
西
粘弹性压痕
我们的团队在粘弹性压痕问题上有丰富的背景和经验，在这个主题上有相当大的和快速增长的文献。一些背景资料在我的网站上在这里而且在iMechanica的其万博manbetx平台他地方．
实际上，开尔文模型几乎从未用于这类问题。类似地，麦克斯韦(串联弹簧和阻尼器)在实际中也不用于缩进的固体。即使在相对较短的实验时间框架内，也能看到更复杂的行为，而简单的模型虽然是黏弹性基础物理的良好教学工具，但实际上却毫无用处。
最简单实用的实体模型是具有三个参数(两个弹簧常数和一个阻尼器系数)的“标准线性固体”，尽管对于许多实际实验来说，需要更复杂的模型，而且函数是几个经验指数衰减项的和，不容易映射到简单的弹簧和阻尼器思想上。
实际上，在压痕蠕变或松弛条件下求解5或7参数粘弹性函数是相当容易的，因为你看到的行为非常清楚地描述了短时间和长时间的响应。这是绝对正确的，正如上面所述，以恒定速率进行测试变得更加困难，尽管我已经研究过这个问题一些(菲尔。杂志。2006)．然而，通常情况下，不仅是在压痕条件下，你会发现在实验上有很好的理由强调恒负载(应力)或恒位移(应变)测试，以真正最敏感地探测粘弹性行为，恒速率测试更适合强调弹性响应。
(如果你有更具体的问题，直接问;我的档案里可能有大约100篇论文，其中10篇是关于这个主题的——近年来，关于粘弹性压痕的主题已经说了很多。)
如何确定选择哪种型号?
米歇尔，虽然我们小组已经发表了二十多篇关于压痕力学的论文，但我们还没有触及粘弹性的话题。我有一个简单的问题问你，在实践中，哪个模型(比如多少个弹簧和阻尼器，或者多少个参数)应用更广泛?对于金属，我们通常使用幂律硬化模型，但对于粘弹性材料，如果你得到一条实验曲线，你如何确定应该使用哪个模型(以及多少个参数)来描述它的压痕行为?
这也与你的方法的唯一性有关:有5-7个参数(或者有时你甚至不知道应该用多少个参数来描述粘弹性模型)，你怎么能确定你的数值解是唯一的?
粘弹性模型选择
对于粘弹性模型的选择，确实没有硬性的规则，但是有一些你可以记住的指导方针。大多数使用指数衰减函数的蠕变或松弛函数的经验方法可以被认为是合理地解释每十年一个时间常数的行为。它们是多个时间常数函数，在大多数情况下与单个弹簧或阻尼系数无关。
就任何特定的实验数据集需要多少时间常数而言:在实验本身中有两个实时时间尺度:(1)达到峰值负载或位移所需的时间(假设保持型蠕变或松弛测试具有有限的斜坡时间或上升时间，因为真实的实验不涉及具有Heaviside阶跃函数能力的神奇机器)和(2)保持时间的长度，在此期间您测量与时间相关的响应。这两个时间尺度将指导你在你的实验中基本时间是什么，因此你可以合理地期望在任何特定的实验中“经历”多少时间常数。例如，如果你做了一个持续几分钟的实验，增加时间为几秒，大约2-3个时间常数是正确的(几分钟除以几秒是60，接近10^2)。对于一个几个小时长的实验，斜坡时间为几秒钟，你更接近10^4和4-5个时间常数将是一个很好的猜测。这些都是很好的“经验法则”指导方针，但当然你要做的是让实验来指导你。如果你选择的函数不适合数据，那么你需要重新考虑你的函数!!
关于唯一性问题，我们需要重新思考粘弹性材料分析的内容。我们使用的这些类型的求和指数函数在数学上是方便的，它们的主要用途是描述观察到的响应，也许，更好的是，能够预测在不同的应用加载条件下的响应(注意，您只能在时间尺度上进行预测，这些预测与您在实验中观察到的响应相似;超出实验时间范围的推断几乎没有什么好处)。
因此，这里的想法并不是用一次测试就能唯一地识别粘弹性材料的本构响应——这些不一定是传统意义上的材料性能测量。
在这种情况下，关键是停下来，理清你在做什么，为什么要这样做。你递给我一块粘弹性材料。你说你想让我通过压痕来测量它的力学性能。真的，为了建立处理这一大块材料的最佳实践机制，在开始之前我需要更多的信息!
材料参数识别的进一步参考文献
开封,
我想以下N. Huber的文章可能对你有帮助
1.Tyulyukovskiy E,Huber N
基于神经网络的大块金属和薄膜球形压痕曲线尖端校正
固体力学与物理学报55 (2):391-418 feb 2007
2.Huber N，特乌留科夫斯基E，卡夫O
利用纳米压痕分析衬底上金属薄膜的应力-应变行为
哲学杂志86(33-35):5505-5519 2006年11月- 12月
3.Tyulyukovskiy E,Huber N
从球形压痕数据识别粘塑性材料参数:第一部分神经网络
材料学报21 (3):664-676 march 2006
4.Klotzer D, Ullner C, Tyulyukovskiy E，等。
从球形压痕数据识别粘塑性材料参数:第二部分。实验验证了该方法
材料学报21 (3):677-684 march 2006
5.Huber N，特乌留科夫斯基E
用球形压痕鉴定粘塑性特性的新加载历史
材料学报，19 (1):101-113 jan 2004
6.Huber N， Nix WD，高H
由薄膜的锥体压痕识别弹塑性材料参数
伦敦皇家学会学报系列a -数学、物理和工程科学458(2023):1593-1620 2002年7月8日
V. Hegadekatte，卡尔斯鲁厄大学，德国
在他的论文中很难得到唯一解
史,
对于你提到的第一篇论文(JMPS)，如果我的理解是正确的，你只缩进到h/R高达0.08(根据Huber JMPS论文4.1)，将很难区分P-h曲线和大块材料上的球形缩进。如我们上面讨论的JMPS论文图12所示，为了有效地通过球形压痕来区分神秘材料，我们需要更深的穿透h/R=0.3。当然，有人可能会说，在非常小的h/R下可能会发生微小的差异，但在我看来，这些对实际实验中的小扰动太敏感了。此外，我们怀疑浅球形压痕(例如Huber的JMPS论文)不会很好地工作，因为这对应于一个小范围的有效尖锐压痕角度，在那里我们可以明确地推导神秘材料。如果你感兴趣，我们总能找到更好的反例。
我还注意到，在你列出的Huber论文中(到目前为止我只看了那些没有粘塑性效应的论文)，逆分析的唯一性从未被讨论过。
你的评论
我会把你的意见转给Huber教授。
V. Hegadekatte，卡尔斯鲁厄大学，德国
强调异质性
我的猜测是，在压痕过程中测量的力是压痕下面大范围应力的净结果，我们可以在本构关系中有无限个变化，可以给出相同的净力。我对大应变粘弹性材料的经验是，在大应变下的应力-应变关系的那部分特别难以得到，可能是因为材料中只有一小部分实际达到了这些应力。
话虽如此，其他科学家建议使用尽可能多的测试数据(例如两个压头)，这对弹塑性材料来说并不不方便，但对速率和应变依赖以及非均匀材料来说有点麻烦。
问题是两个压头不太好用
这是本文讨论的主要发现。许多人认为基于量纲分析，多个压头的解应该是唯一的，但事实并非如此——当然，我们没有讨论应变率、异质材料和非幂律材料的影响。即使对于最简单的均质、各向同性、幂律材料和准静态加载，双压头法也不能很好地工作，因此当这些被忽略的因素可能很重要时，它不能在实践中使用。同样，球形压痕和薄膜压痕也会受到影响，如果实验不仔细进行，解决方案可能不是唯一的，更多讨论请参阅我们的论文。
nano-indentation测试
我从这条关于压痕测试的讨论中受益。
我在我的教学“工程实验室材料”中放了一个链接(http://万博manbetx平台m.limpotrade.com/node/1061#comment-2531)到这个博客。