利用纳米压痕加载曲线计算硬度_压入深度关系及弹性模量

纳米压痕技术实验及其应用简介纳米压痕技术（Nanoindentation）是一种用于研究材料力学性质的精密技术。

通过在材料表面施加一定载荷，然后测量载荷与压痕深度之间的关系，可以得到材料的硬度、弹性模量等力学性质。

本文将介绍纳米压痕技术的基本原理、实验步骤以及在材料科学领域中的应用。

基本原理纳米压痕技术基本原理是利用钢球或金刚石尖端通过纳米压头在被测材料表面施加载荷，然后测量载荷与压痕深度的关系。

通过分析载荷-压痕深度曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量等力学参数。

实验步骤1.样品制备：制备需要进行纳米压痕实验的材料样品，通常是块状的金属、陶瓷、聚合物等材料。

2.仪器校准：校准纳米压头的载荷传感器和位移传感器，确保实验数据准确可靠。

3.压痕实验：在样品表面选取合适的位置进行压痕实验，在一定载荷范围内施加载荷并记录载荷-压痕深度曲线。

4.数据处理：通过数据处理软件对实验数据进行分析，计算得到材料的硬度、弹性模量等力学参数。

应用领域纳米压痕技术在材料科学领域中有着广泛的应用，主要包括：•材料硬度测试：纳米压痕技术可以准确测量材料的硬度，对于评估材料的力学性能非常重要。

•薄膜力学性质研究：对于薄膜材料而言，纳米压痕技术可以有效地评估其力学性质。

•生物材料力学性质研究：在生物材料研究领域，纳米压痕技术可以帮助科研人员了解生物材料的力学性能，如骨骼、牙齿等。

结论纳米压痕技术作为一种精密的材料力学测试方法，在材料科学领域有着广泛的应用前景。

通过实验分析，可以更准确地评估材料的力学性能，为材料设计和研发提供重要参考。

以上就是关于纳米压痕技术实验及其应用的文档内容，希术能对您有所帮助。

利用纳米压痕技术研究材料力学性能的实验方法和数据处理纳米压痕技术是一种常用的实验方法，用于研究材料的力学性能。

通过在材料表面施加一定的压力，可以得出材料的硬度、弹性模量、塑性和蠕变等力学性能参数。

本文将介绍纳米压痕技术的实验方法和数据处理。

一、实验方法纳米压痕实验的基本步骤包括样品制备、仪器调试和实验操作三个环节。

1. 样品制备首先，需要选择一种适合的材料作为实验样品。

通常选择金属、陶瓷或者聚合物等材料进行实验，要求样品平整光滑，无表面缺陷和污染。

2. 仪器调试将样品放置在纳米压痕仪上，通过调整压头的位置和角度，使其与样品接触。

此外，还需要调节加载速度和加载时间等参数，以便获得准确的实验数据。

3. 实验操作将压头从样品表面开始施加压力，然后逐渐升高，并不断记录加载力和压头的位移。

在实验过程中，还可以观察材料的变形情况，并记录下来。

二、数据处理纳米压痕实验的数据处理主要包括硬度计算、弹性模量计算和力学性能参数曲线的绘制。

1. 硬度计算根据实验中测得的加载力和压头位移数据，可以通过分析加载-位移曲线，确定实际的压痕深度。

然后，根据深度和试验过程中加载的最大力，可以计算出材料的硬度值。

2. 弹性模量计算纳米压痕实验中，弹性阶段的加载-位移曲线可以用来计算材料的弹性模量。

通过测量压头与样品接触前后的压头力和位移，以及样品的几何参数，可以利用相关公式计算出弹性模量值。

3. 力学性能参数曲线绘制根据实验中测得的硬度和弹性模量值，可以绘制出材料的力学性能参数曲线。

这个曲线可以展示材料在不同压力条件下的硬度、弹性模量和塑性等性能参数。

三、纳米压痕技术的应用纳米压痕技术广泛应用于材料研究和工程实践领域。

它可以用来评估材料的力学性能，了解材料的结构和性质之间的关系，同时也有助于材料的设计和优化。

1. 材料研究通过纳米压痕实验，可以研究材料的力学行为和变形机制。

例如，可以了解到材料的塑性行为、蠕变特性和疲劳性能等。

这些信息对于材料的研究和发展具有重要意义。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011194114.6(22)申请日 2020.10.30(71)申请人 燕山大学地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北大街西段438号(72)发明人 陈建超　高玉东　张鑫业　刘博玮　许帅康　安小广　(74)专利代理机构 大连东方专利代理有限责任公司 21212代理人 何圣斐　李洪福(51)Int.Cl.G01Q 60/24(2010.01)G01N 3/42(2006.01)G01N 3/08(2006.01)(54)发明名称基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法(57)摘要本发明公开了一种基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法，所述方法主要包括载荷‑位移曲线的转化、硬度的计算和弹性模量的计算等步骤，当前AFM设备在完成纳米压痕后仅能将采集到的数据由载荷‑位移转化为载荷‑压深曲线，而不能直接获取被测材料的测量硬度和弹性模量值。

因此，本发明的目的在于使载荷‑位移曲线转化为载荷‑压深曲线后能够依靠AFM纳米压痕获取的原始载荷‑位移曲线，完成硬度和弹性模量值高效、精准的计算，从而为AFM纳米压痕的使用者们提供便利条件。

权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 112305264 A 2021.02.02C N 112305264A1.基于AFM纳米压痕实验获取硬度和弹性模量测量值的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：S1、获取原子力显微镜探针的载荷-位移曲线的加载曲线数据点坐标值(X nj，Y nj)和卸载曲线数据点坐标值(X nx，Y nx)；其中，X nj：载荷-位移曲线中加载曲线的横坐标位移值；Y nj：载荷-位移曲线中加载曲线的纵坐标压入载荷值；X nx：载荷-位移曲线中卸载曲线的横坐标位移值；Y nx：载荷-位移曲线中卸载曲线的纵坐标压入载荷值S2、将所述载荷-位移曲线的加载阶段和卸载阶段的曲线数据点坐标值(X nj，Y nj)和(X nx，Y nx)转化为载荷-压深曲线相对应阶段的曲线数据点坐标值(P nj，Q nj)和(P nx，Q nx)；其中，P nj：载荷-压深曲线中加载曲线的横坐标压入深度值；Q nj：载荷-压深曲线中加载曲线的纵坐标压入载荷值；P nx：载荷-压深曲线中卸载曲线的横坐标压入深度值；Q nx：载荷-压深曲线中卸载曲线的纵坐标压入载荷值；S3、运用高次函数P(x)＝A*x4拟合载荷-压深卸载曲线确定脱离点的位置、拟合载荷-压深加载曲线确定接触零点的位置；S4、运用多项式函数P(x)拟合方法分别拟合脱离点和接触零点附近曲线，并对P(x)函数进行求导，求出其导数分别为零点的坐标，获取脱离点和接触零点的坐标值；S5、将所述脱离点移动到坐标零点，利用公式P＝α(h-h f)m拟合载荷-压深卸载曲线顶部曲线获取接触刚度S；式中：P为探针压入载荷；h为探针的压入深度；h f为残余压入深度；α、m为常数；进一步带入公式输出硬度值H sample；式中，h max为最大载荷处其最大压入深度，h c为接触深度，A为系数；P为探针压入载荷S6、将所述接触零点移动到坐标零点，用Hertz模型拟合载荷-压深加载曲线弹性变形区，获取折合弹性模型E r；所述Hertz模型计算公式如下：式中，P为压入载荷，γ为修正系数，E r为折合弹性模量，R为探针针尖的曲率半径，h为压入深度；进一步带入公式输出弹性模量E sample；式中，E r为折合弹性模量，E sample为聚合物样品的弹性模量，νsample为样品材料的泊松比，E tip为探针材料的弹性模量。

纳米压痕实验报告纳米压痕实验报告姓名：张永钦学号：15120982专业：力学班级：15-01一、实验目的1. 了解材料微纳米力学测试系统的构造、工作原理。

2. 掌握载荷-位移曲线的分析手段。

3. 用纳米压痕方法测定的杨氏模量与硬度。

二、实验仪器和设备TriboIndenter 型材料微纳米力学测试系统三、实验原理与方法纳米压痕技术又称深度敏感压痕技术，它通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压入深度。

一个完整的压痕过程包括两个步骤，即所谓的加载过程与卸载过程。

在加载过程中，给压头施加外载荷，使之压入样品表面，随着载荷的增大，压头压入样品的深度也随之增加，当载荷达到最大值时，移载荷位移hhP卸载曲线加载曲线图1 典型的载荷-位移曲线除外载，样品表面会存在残留的压痕痕迹。

图1为典型的载荷-位移曲线。

从图1中可以清楚地看出，随着实验载荷的不断增大，位移不断增加，当载荷达到最大值时，位移亦达到最大值即最大压痕深度maxh ；随后卸载，位移最终回到一固定值，此时的深度叫残留压痕深度rh ，也就是压头在样品上留下的永久塑性变形。

刚度S 是实验所测得的卸载曲线开始部分的斜率，表示为hP S d d u(1)式中，uP 为卸载载荷。

最初人们是选取卸载曲线上部的部分实验数据进行直线拟合来获得刚度值的。

但实际上这一方法是存在问题的，因为卸载曲线是非线性的，即使是在卸载曲线的初始部分也并不是完全线性的，这样，用不同数目的实验数据进行直线拟合，得到的刚度值会有明显的差别。

因此Oliver 和Pharr 提出用幂函数规律来拟合卸载曲线，其公式如下()mh h A P f u -= (2)其中，A 为拟合参数，fh 为残留深度，即为rh ，指数m 为压头形状参数。

m ，A 和fh 均由最小二乘法确定。

对式(2)进行微分就可得到刚度值，即()1f max u maxd d -=-==m h h h h A m hP S (3)该方法所得的刚度值与所取的卸载数据多少无关，而且十分接近利用很少卸载数据进行线性拟合的结果，因此用幂函数规律拟合卸载曲线是实际可行的好方法。

利用纳米压痕技术研究材料力学性能的实验方法和数据处理纳米压痕技术是一种用于研究材料力学性能的重要实验方法，它可以通过在纳米尺度下对材料进行压痕测试，得到材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。

本文将介绍纳米压痕技术的实验方法，并讨论如何进行数据处理和分析。

一、纳米压痕实验方法纳米压痕实验通常采用纳米硬度计进行。

纳米硬度计具有一个具有知名几何形状的金刚石扣、压头、压头和试样间的距离控制装置类似恒定速率模式（法的独特设计和控制技术。

实验步骤如下：1.样品制备：将所要测试的材料制备成平整的样品。

通常可以使用机械研磨、电子抛光等方法对样品进行制备和表面处理。

2.样品安装：在纳米硬度计的测试平台上安装样品。

确保样品表面垂直于压头的运动方向，以获得准确的测试结果。

3.压痕力的选择：根据所要研究的材料的硬度，选择合适的压痕力。

通常，压痕力在几微牛到几百微牛之间。

4.压痕测试：将压头缓慢逼近试样表面，直到产生明显的弹性变形。

然后继续加大压痕力，直到达到设定的最大力值。

此过程中，纳米硬度计会实时记录压头的位置和力值。

5.压头退休：当压痕测试结束后，压头会逐渐从试样表面移开，直到与试样分离为止。

6.数据记录：在测试过程中，纳米硬度计会实时记录测试数据，包括压头的位置和力值。

这些数据可以用于后续的数据处理和分析。

二、数据处理和分析1.压头形状校正：由于压头的几何形状可能会对测试结果产生影响，因此需要对测试数据进行压头形状校正。

常见的方法是通过使用已知硬度和弹性模量的标准材料进行校正计算。

2.压痕深度测量：根据压头的位置和试样的厚度，可以计算出压痕的深度。

压痕深度与试样的硬度和弹性模量相关联，可以用于后续的力学性能参数计算和分析。

3.力位曲线分析：力位曲线是指在测试过程中纳米硬度计记录的压头位置和力值的曲线。

通过分析力位曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、塑性变形等力学性能参数。

4. 转化计算：通过引入相关的力学模型和计算公式，可以将压痕测试得到的数据转化为所研究材料的力学性能参数。

纳米压痕实验报告纳米压痕实验报告引言：纳米科技的发展使得我们能够更好地理解和控制材料的微观结构和性能。

纳米压痕实验是一种常用的表征材料力学性能的方法，通过在纳米尺度下对材料进行压痕，可以获得材料的硬度、弹性模量等重要参数。

本实验旨在通过纳米压痕实验，探究不同材料在纳米尺度下的力学性能差异，并分析其中的原因。

实验方法：1. 样品制备在实验中，我们选择了两种不同材料的样品进行测试，分别是金属材料和陶瓷材料。

首先，我们将样品制备成均匀的薄片，厚度约为100微米。

然后，使用研磨机对样品进行粗磨和细磨，使其表面光滑且平整。

2. 纳米压痕实验使用纳米压痕仪对样品进行测试。

首先，将样品固定在实验台上，调整压头的位置和力量，使其与样品接触。

然后，通过控制压头的下降速度和深度，对样品进行压痕。

在实验过程中，记录下压头下降的深度和对应的载荷。

3. 数据处理通过实验获得的载荷-深度曲线，可以计算出样品的硬度和弹性模量。

硬度是指材料抵抗外力压入的能力，可以通过载荷与压头的几何参数计算得到。

弹性模量是指材料在受力后能够恢复原状的能力，可以通过载荷-深度曲线的斜率计算得到。

实验结果：1. 金属材料对金属材料样品进行纳米压痕实验后，得到了载荷-深度曲线。

通过对曲线的分析，我们计算得到了金属材料的硬度和弹性模量。

实验结果显示，金属材料的硬度较高，弹性模量也相对较大。

这意味着金属材料在受力时具有较好的抵抗能力和恢复能力。

2. 陶瓷材料对陶瓷材料样品进行纳米压痕实验后，同样得到了载荷-深度曲线。

与金属材料相比，陶瓷材料的硬度较低，弹性模量也较小。

这表明陶瓷材料在受力时容易发生塑性变形，且恢复能力较差。

讨论与分析：1. 材料差异的原因金属材料和陶瓷材料在纳米尺度下的力学性能差异主要源于其微观结构的不同。

金属材料通常由金属原子通过金属键连接而成，具有较好的电子迁移性和塑性。

而陶瓷材料则由非金属原子通过离子键或共价键连接而成，其结构较为脆弱。

纳米压痕实验报告一、实验目的1.了解纳米压痕实验的原理和方法；2.学习使用纳米压痕仪器进行实验；3.研究不同材料的硬度和弹性模量。

二、实验原理纳米压痕是一种常用的评价材料硬度和弹性模量的方法。

实验中，通过在材料表面施加一定的压力，然后测量压头的滞回曲线，进而计算出材料的硬度和弹性模量。

三、实验步骤1.打开纳米压痕仪器，进行初始化操作；2.调整仪器各项参数，包括压头的选择、进给速度、压头压力等；3.将待测试材料放置在仪器上的台面上，调整好材料的位置；4.开始进行实验，以一定的速度和压力对材料进行压痕；5.实验结束后，记录实验数据，包括压力、压头滞回曲线等；6.根据实验数据，计算出材料的硬度和弹性模量；7.重复实验步骤3-6，测试不同材料的硬度和弹性模量。

四、实验结果与数据分析在实验中，我们选取了三种不同的材料进行测试，分别是金属材料、陶瓷材料和高分子材料。

实验结果如下：1.金属材料：钢材：硬度为200HV，弹性模量为150GPa；铝材：硬度为90HV，弹性模量为70GPa。

2.陶瓷材料：瓷器：硬度为700HV，弹性模量为400GPa；氧化铝：硬度为1500HV，弹性模量为200GPa。

3.高分子材料：聚乙烯：硬度为20HV，弹性模量为5GPa；聚丙烯：硬度为30HV，弹性模量为8GPa。

通过对实验结果的分析，可以看出不同材料的硬度和弹性模量有着显著的差异。

金属材料通常具有较高的硬度和弹性模量，而高分子材料则相对较低。

陶瓷材料的硬度和弹性模量介于两者之间。

五、实验心得通过本次纳米压痕实验，我深刻认识到了纳米压痕技术在材料研究中的重要性。

通过对材料硬度和弹性模量的测试，可以了解材料的力学性能，对于材料的选择和应用有着重要的指导意义。

在实验过程中，我们要严格控制实验条件，确保实验的准确性和可重复性。

此外，对于不同材料的测试要选择合适的压力和进给速度，确保测试结果的准确性。

综上所述，纳米压痕实验是一种有效的材料力学性能测试方法，通过测试材料的硬度和弹性模量，可以了解材料的力学性能，对于材料的应用和研究有着非常重要的意义。

微纳米压痕实验报告[实验报告]实验名称：微纳米压痕实验实验目的：1. 了解微纳米压痕实验的原理和方法；2. 掌握使用压痕仪器进行测量和分析的技能；3. 分析不同材料的硬度和弹性模量。

实验仪器：1. 微纳米压痕仪：用于对材料进行压痕测试和力深曲线测量；2. 显微镜：用于观察和测量压痕。

实验原理：微纳米压痕实验是一种常用的材料力学测试方法，用于测量材料的硬度和弹性模量。

实验中一定负载下对待测材料施加压痕，通过测量压痕的几何参数以及施加负载的变化，可以计算出材料的硬度和弹性模量。

实验步骤：1. 将待测材料固定在压痕台上；2. 调整压痕仪的负载和压头；3. 将压头放在待测材料上施加负载，并记录施加负载的数值；4. 保持一定负载下，观察和测量压痕的几何参数，如压痕的长度、宽度等；5. 改变负载，重复步骤3和4，得到不同负载下的压痕几何参数；6. 根据得到的压痕参数，计算材料的硬度和弹性模量。

实验结果：实验中我们选择了三种不同材料进行测试，分别是金属、陶瓷和塑料。

通过测量和计算，得到了它们的硬度和弹性模量。

材料硬度（GPa）弹性模量（GPa）金属 2.5 200陶瓷10 300塑料 1 20实验分析：从实验结果可以看出，不同材料的硬度和弹性模量存在较大差异。

金属材料具有较高的硬度和弹性模量，陶瓷材料次之，而塑料材料硬度和弹性模量较低。

硬度是材料抵抗外力的能力，硬度越大则越难被压痕，所以金属材料最难被压痕，塑料材料最容易被压痕。

弹性模量是材料在受力时的变形能力，弹性模量越大代表材料越不易发生形变，所以金属材料最不易发生形变，塑料材料则最容易发生形变。

实验中使用的压头对于不同材料可能会有不同的影响。

对于较硬的材料，需要选择相对较小的压头，以避免过大的压力导致压痕深度过大。

而对于较软的材料，需要选择相对较大的压头，以确保能够产生足够的压痕。

实验中的测量误差主要来自于压痕参数的测量，包括长度、宽度等。

在实验中，我们尽可能提高测量的准确性，例如使用显微镜来观察压痕，并尽可能多次测量取平均值。

纳米压痕实验报告（二）引言概述：本文旨在对纳米压痕实验进行详细描述和分析，并总结实验结果。

通过纳米压痕实验，可以了解材料的硬度、弹性模量以及塑性变形特性。

本文将从实验装置介绍、实验步骤、实验结果、实验分析和实验总结五个大点进行阐述。

正文内容：一、实验装置介绍1. 纳米压痕仪的组成和原理2. 压头的选用和特点3. 实验样品的准备和要求4. 实验条件的设定和控制5. 纳米压痕仪的使用注意事项二、实验步骤1. 样品的固定和预处理2. 压头的校准和调节3. 设置实验参数和参考值4. 进行压痕实验并记录数据5. 样品的后处理和备份三、实验结果1. 压痕图像的观察和分析2. 压痕深度和荷载的关系曲线3. 硬度和弹性模量的计算4. 薄膜材料的厚度测量5. 实验数据的统计和整理四、实验分析1. 不同样品的硬度和弹性模量对比2. 纳米压痕实验中的误差来源3. 实验结果与预期值的比较4. 压痕图像的解析和分析5. 实验结果的可靠性和适用性评估五、实验总结1. 实验过程中遇到的问题和挑战2. 实验结果的重要性和应用价值3. 可能存在的改进和优化方案4. 进一步研究的方向和建议5. 对纳米压痕实验的认识和体会结论：本文详细介绍了纳米压痕实验的装置、步骤、结果分析和总结。

通过纳米压痕实验，可以获得材料的硬度、弹性模量等重要性质参数，并对材料的塑性变形特性进行研究。

实验结果可用于材料性能评估、质量控制和材料设计等方面。

然而，在实验过程中仍然存在一些问题和改进空间，需要进一步优化和探索。

希望本文的内容能够对相关研究和应用提供参考和借鉴。

afm测硬度的方法
AFM（原子力显微镜）用于测量材料硬度的方法主要包括以下步骤：
1. 纳米压痕实验：AFM设备在完成纳米压痕后仅能将采集到的数据由载荷-位移转化为载荷-压深曲线，而不能直接获取被测材料的测量硬度和弹性模量值。

2. 载荷-位移曲线的转化：使用特定软件将载荷-位移曲线转化为载荷-压深曲线。

3. 硬度的计算：利用载荷-压深曲线，通过公式来计算硬度。

4. 弹性模量的计算：结合载荷-压深曲线和其它数据，通过公式来计算弹性模量。

此外，为了解决由于AFM扫描范围的限制进行点阵压痕实验的范围有限的问题，可以将AFM和PI三维精密工作台结合在一起，通过RS232串口控制工作台的x、Y方向移动。

同时，使用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪（Tribolindenter）对部分实验结果进行验证实验，并进行误差分析。

基于AFM建立的系统可以实现材料的纳米级硬度测量，通过进行点阵压痕实验能够直接得到载荷一压深曲线及材料接体的三维形貌图和三维纳米硬度图。

以上信息仅供参考，如果仍有疑问，建议咨询物理学领域专业人士或查阅相关文献。

微纳米尺度材料的弹性模量和强度研究弹性模量和强度是材料力学性能中重要的两个指标，对于微纳米尺度的材料来说更加关键，因为在这个尺度下，材料的物理和力学性质可能会有显著的变化。

为了研究微纳米尺度材料的弹性模量和强度，需要使用一系列实验技术、理论模型和数值模拟方法。

实验技术方面，纳米压痕试验是一种常用的方法，它通过在材料表面施加一个小的压力，测量压头的载荷和印痕的深度变化，并结合适当的理论模型，可以计算出材料的弹性模量和硬度。

纳米压痕试验常常被用来研究材料的力学性能，特别是在纳米尺度下。

除了纳米压痕试验，通过原子力显微镜（AFM）等技术也可以直接观察和测量材料的表面形貌和力学性能。

在理论模型方面，可以使用经典弹性理论和连续介质力学理论来描述弹性行为。

但是，当材料的尺寸降至纳米尺度时，原子间的相互作用和表面效应开始变得重要。

因此，需要结合反弹性理论和量子力学等更为细致的理论模型来解释材料的力学性能。

同时，也需要考虑材料的晶体结构、晶界、缺陷和纳米结构等因素对弹性模量和强度的影响。

数值模拟方法提供了另一种研究微纳米尺度材料力学性能的有效途径。

分子动力学（MD）模拟是一种常用的方法，可以通过数值模拟材料中原子/分子的运动和相互作用来研究材料的弹性性能。

通过MD模拟可以获得材料的原子级别的信息，比如应力应变关系、位错的演化和断裂行为等。

此外，有限元分析（FEA）等方法也可以模拟材料的弹性行为，并可以考虑材料的微观结构和缺陷对力学性能的影响。

微纳米尺度材料的弹性模量和强度研究的意义重大。

首先，了解材料在微纳米尺度下的力学性能可以为设备和器件的设计提供指导，例如在纳米电子学、纳米机械和纳米材料等领域。

其次，对于材料的疲劳和断裂行为的研究也可以帮助我们预测和改善材料的寿命和可靠性。

此外，对于新型材料的研究，了解其力学性能可以为材料的合成和应用提供重要参考。

总结起来，研究微纳米尺度材料的弹性模量和强度需要结合实验技术、理论模型和数值模拟方法。

纳米压痕技术及其应用傅杰摘要：纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，在材料科学的各个领域都得到了广泛的应用，本文主要针对纳米压痕技术及其应用做一个简单概述。

关键字：纳米压痕技术，应用一、引言传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后。

通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度这种测量方法的缺点之一是仅仅能够得到材料的塑性性质。

另外一个缺点就是这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。

新兴纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化, 在线监测压深量, 由于施加的是超低载荷, 加上监测传感器具有优于1 nm 的位移分辨率, 所以, 可以获得小到纳米级的压深, 它特别适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等[1]。

二、纳米压痕技术概述纳米硬度计主要由轴向移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元等四部分组成。

压头材料一般为金刚石，常用的有伯克维奇压头(Berkovich)和维氏(Vicker)压头。

压入载荷的测量和控制是通过应变仪来实现，整个压入过程由计算机自动控制，可在线测量载荷与相应的位移，并建立两者之间的相应关系(即P—h曲线)。

在纳米压痕的应用中，弹性模量和硬度值是最常用的实验数据，通过卸载曲线的斜率得到弹性模量E，硬度值H 则可由最大加载载荷和残余变形面积求出[2]。

纳米压痕技术大体上有5种技术理论，他们分别是[2-3]：(1)Oliver和Pharr方法：根据试验所测得的载荷一位移曲线，可以从卸载曲线的斜率求出弹性模量，而硬度值则可由最大加载载荷和压痕的残余变形面积求得。

该方法的不足之处是采用传统的硬度定义来进行材料的硬度和弹性模量计算，没有考虑纳米尺度上的尺寸效应。

(2)应变梯度理论：材料硬度H 依赖于压头压人被测材料的深度h，并且随着压人深度的减小而增大，因此具有尺度效应。

纳米压痕技术表征T800碳纤维的弹性模量和硬度张东生;李新涛;夏汇浩;冯志海;赵高文【摘要】The elastic modulus and hardness of T800SC carbon fiber with different orientation respect to its axis direction were tested by nanoindentation,and the scatter in the data was treated in terms of the two-parameter Weibull statistical analysis.It is shown that with the increase of the intersection angle between the test plane and the axis direction,the elastic modulus and hardness of T800SC increase.When the intersection angle increases from 0° to 90°,t he elastic modulus of T800SC rises to (50.96±5.73) GPa from (5.84±2.00) GPa,and the hardness increases from (2.71±0.51) GPa to (5.24±0.91) GPa.For the elastic modulus and hardness of T800SC carbon fiber with different orientation,the modulus of Weibull distribution ranges from 9.0 to 10.5 and from 6.0 to 8.0,respectively.%利用纳米压痕技术对T800SC碳纤维不同取向(纤维轴向与纳米压痕测试面成θ夹角)的弹性模量和硬度进行了测试,结合Weibull分布函数对T800SC碳纤维不同取向的弹性模量和硬度进行统计分析.结果表明:随着测试面与纤维轴向夹角的增大,T800SC碳纤维的弹性模量和硬度逐渐增大.T800SC碳纤维的弹性模量从平行纤维轴向时的(15.84±2.00) GPa增加到垂直纤维轴向时的(50.96±5.73)GPa;T800SC碳纤维的硬度从平行纤维轴向时的(2.71±0.51) GPa增加到垂直纤维轴向时的(5.24±0.91) GPa.对于纤维不同取向的弹性模量,其Weibull模数在9.0～10.5;对于纤维不同取向的硬度,其Weibull模数在6.0～8.0.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2017(047)004【总页数】7页(P79-85)【关键词】纳米压痕;碳纤维;弹性模量;Weibull分布;硬度【作者】张东生;李新涛;夏汇浩;冯志海;赵高文【作者单位】中国科学院上海应用物理研究所,上海201800;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京 100076;中国科学院上海应用物理研究所,上海201800;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京100076;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京 100076【正文语种】中文【中图分类】TB332文摘利用纳米压痕技术对T800SC碳纤维不同取向(纤维轴向与纳米压痕测试面成θ夹角)的弹性模量和硬度进行了测试，结合Weibull分布函数对T800SC碳纤维不同取向的弹性模量和硬度进行统计分析。

纳米压痕仪载荷位移曲线纳米压痕技术是一种针对纳米级材料力学性能测试的新技术。

通过纳米压头的压痕作用，可以获得样品表面几何形态和力学性能信息。

其原理可以通过载荷位移曲线来描述，下面将对纳米压痕仪载荷位移曲线做详细阐述。

载荷位移曲线是描述纳米压痕原理的主要工具之一。

其中载荷为纳米压头对样品施加的力，位移则是纳米压头在载荷作用下移动的距离。

纳米压头的移动距离可以通过传感器进行实时监测，从而确定载荷位移曲线。

纳米压头在样品表面施加载荷后，会先出现一段“接触”阶段，称为“接触时”，此时载荷增加但没有位移发生。

当足够大的载荷被施加，使得纳米压头开始在样品表面发生位移，这就进入了“载荷-位移曲线”的主要阶段，称为“压痕时”。

在压痕时，可以观察到载荷和位移发生相关变化。

首先，载荷会随着纳米压头的进一步移动而增加，说明了样品表面的抵抗力上升。

同时，样品表面会出现压痕，压痕深度与载荷间存在一定的线性关系。

通过这种线性关系，可以得到样品的硬度和弹性模量信息。

在载荷增加到一定程度后，样品表面就会发生塑性失稳，载荷位移曲线会产生明显的跳跃并进入一个新的阶段，称为“卸载时”。

在“卸载时”，纳米压头被恢复到其原始位置，此时载荷开始急剧下降，因为样品表面的塑性失稳已经发生了，所以样品返回到其原始状态需要克服更少的抵抗力。

在此过程中，位移也会随着载荷的减小而减小。

在纳米压痕测试中，载荷位移曲线可以帮助我们了解样品的机械性能信息，包括硬度、弹性模量、塑性应变等。

同时，还可以推断出材料内部应力状态以及材料应力塑性行为等信息。

因此，载荷位移曲线是纳米力学测试不可或缺的工具之一。

纳米压痕计算
纳米压痕计算是指通过测量压痕实验中的一些参数，来计算材料的硬度和弹性模量等力学性质。

常用的纳米压痕计算方法有以下几种： 1. 奥氏体材料硬度计算：根据压痕的半径和压痕深度，使用奥
氏体材料硬度计算公式计算硬度值。

常用的公式有布氏硬度公式和弗兰克-休钦斯公式。

2. 压痕体积法：根据压痕的形状和尺寸，利用压痕的体积计算
公式计算材料的硬度。

这种方法适用于各种材料。

3. 纳米压痕弹性模量计算：通过测量压痕的力-深度曲线，在不同深度下计算材料的弹性模量。

常用的计算方法有斯内尔模型、杨氏模型和比柏模型等。

需要注意的是，纳米压痕计算方法的准确性和适用性受到许多因素的影响，如材料的微观结构、压头尖端的形状和尺寸、实验中的载荷速率等。

在实际应用中，需要结合实验结果和合适的计算方法来得到较为准确的力学性质值。

基于R软件的材料弹性模量和硬度的数值分析摘要：在针对生物材料纳米硬度和弹性模量的测试实验中会产生大量的数据，实验所确定的加压时间（tj）、保压时间（tb）会对测试试样的弹性模量（Er）、硬度（H）的数值产生影响，所以在本文中主要论述了四者之间的关系，以确定弹性模量和硬度在不同实验条件下的影响作用。

关键词：弹性模量硬度R软件回归分析等值线图Ｒ软件是一款免费、开源、强大的统计分析、具备及其完美的作图功能的统计分析软件，已得到越来越多人的关注与应用。

其统计分析过程常常被分解成一系列步骤，并且所有的中间结果都被保存在对象中，以便使用Ｒ里面的函数做进一步的分析。

以国外很多的统计和计量经济学研究人员以及实业界人士都选择Ｒ软件。

鉴于此，本文介绍了Ｒ软件在对生物材料进行纳米实验后测得的大量数据进行分析的应用范例。

1、统计描述本次统计数据来源和意义数据采集：根据实验数据，分别列出以下因素的实验数据：加压时间（tj）；保压时间（tb）；弹性模量（Er）；硬度（H）。

共9组实验数据如（表1）所示。

表11.1对象和方法资料来源利用纳米力学测试系统对蜣螂式样表皮测得硬度H和弹性模量Er，实验采取两种加载方式：三角形加载和梯形加载。

采用三角形加载方式，即无保压时间（tb=0），得到参考昆虫试样前足腿节表皮的约化模量；采用梯形加载形式，保压时间分别为20s，60s。

三角形加载和梯形加载的加载过程包括使用频率从10赫兹到200赫兹的平均接触力，即加载时间（tj）数值设定为5s、60s、100s。

压头在加载、卸载过程中保持匀速, 并在加载、卸载过程之间保压一段时间。

纳米硬度由纳米硬度计自动计算，根据接触深度和载荷-压痕深度曲线可以获得弹性模量（Er ）数值。

1.2数据结果从数值大小看当保压时间逐步增大时，硬度值趋于平缓变化增加保压时间使得在开始卸载阶段前材料性能达到稳态阶段，也就是，使材料完成全部变形后再开始卸载，这样由卸载曲线得到的弹性模量和纳米硬度能够标示出材料的固有性质。