纳米压痕:先进材料的尖端硬度测量

材料的硬度或抗外力的能力一直在决定其实际应用中起着重要作用。在材料科学中，硬度通常被定义为抵抗局部变形的能力。变形可能来自压痕、划痕、切割或弯曲。金属、合金、陶瓷和大多数聚合物的硬度通常与表面的塑性或永久性变形有关。另一方面，弹性体和一些聚合物的硬度与表面的弹性或可恢复变形有关。

各种硬度测试和测量技术用于检查材料的质量，保持结构完整性，并确定材料的功能和最佳工作范围和条件。

缩进:传统的方法

各种压痕测试维氏硬度试验、努普硬度试验、洛氏硬度试验等，视所考虑的材料而定，常用于确定材料的硬度和测试其其他机械性能。在这些测试中，将机械性能已知的硬尖端(通常是金刚石)压入性能未知的样品中。压头尖端上的负载随着尖端进一步渗透到试样中而增加，以达到用户定义的值。负载可以保持恒定一段时间，或在达到此点后移除。测量了试样中残余压痕的面积和硬度H，则由最大负荷，P_马克斯，由剩余压痕面积，一个[1,2]:

这些压痕测试适用于厚的均质样品，但不适用于有薄涂层或薄膜沉积的材料，因为它们需要施加大量的载荷，因此，压痕的整体面积很大。为了解决这一问题并促进科学进步，在精确确定材料力学性能的同时，需要在测试过程中尽量减少压痕面积。这导致了20世纪70年代中期纳米压痕技术的发展。

纳米压痕:拯救之路

纳米压痕改进了传统的宏观和微压痕测试，在纳米尺度上的压痕具有非常精确的尖端形状，高空间分辨率，并在压痕过程中提供实时载荷-位移(进入表面)数据[3]。

在纳米压痕实验中，采用较小的负载和尖端尺寸来获得以纳米为单位的净压痕面积²．使用具有高精度几何形状的压头(通常是Berkovich尖端)，记录穿透深度，并使用压头的已知几何形状确定压痕的面积。在压痕时，可以测量各种参数，如载荷和穿透深度，以获得载荷-位移曲线。荷载-位移曲线可进一步用于确定(a)相对于初始未变形表面的位移，h， (b)最大位移，h_马克斯，(c)压头完全卸载后的永久穿透深度，h_f，及(d)年代为弹性卸载刚度。

最小探测最大信息

纳米压痕似乎比许多传统压痕方法更占优势，因为它允许精确测定许多机械性能，而不仅仅是硬度。硬度可由最大载荷，P_马克斯根据压痕面积，A.杨氏模量和应变率敏感性是纳米压痕试验可以获得的两个重要性质，这对材料选择和元件设计具有重要意义。

杨氏模量

杨氏模量，即材料在受到拉伸或压缩时承受尺寸变化的能力，是衡量固体材料刚度的指标。荷载-深度曲线的斜率dP/ dh，卸载时表示刚度，年代，被测试的材料。这包括被测试的材料和压头本身的响应。接触刚度可以用来计算约简杨氏模量E_r(4、5):

在哪里一个_p压痕的投影面积是否在接触深度h_cβ是一个几何常数，一般取其数值为一。简化模量E_r与杨氏模量有关E_年代试件通过以下关系:

上式中，下标“i”和“s”分别表示压头材料和试件的性质，取υ为泊松比。对于Berkovich钻石压头，E_我为1140 GPa，取υ为0.07。对于大多数材料，试件的泊松比一般在0到0.5之间变化，通常在0.3左右。

应变率敏感性

应变率是材料应变(变形)随时间的变化率。如果材料的应力-应变关系依赖于加载速率，则材料对应变速率敏感。在纳米压痕实验中，采用应变率敏感性指数研究了材料的应变率敏感性米,这是材料在变形过程中防止缩颈的阻力。数学上，它是在对数-对数尺度上绘制的硬度与等效应变率图的斜率。

等效应变率可由加载速率和施加的最大载荷得到P使用下面的公式:

应变率敏感性指数米定义为:

各种变形模型都依赖于应变率敏感性指数来解释材料的主要变形机制，如晶界影响区介导的塑性变形和晶界辅助的部分位错发射机制[6,7]。材料的应变率敏感性是针对不同应力和应变水平的环境进行材料选择的有用工具。

纳米压痕:未来展望

纳米压痕减轻了我们的努力，以确定各种机械性能。它是一种节省时间，节省材料，高度可靠的方法，用于从大块到薄膜的一系列材料。一些纳米压痕设备，如Hysitron Tl 950 Triboindenter，也有内置的软件，计算硬度，杨氏模量和其他相关属性，最大限度地减少了计算过程中人为错误的可能性。在未来，该技术可用于新一代材料的快速和简单的评估。

本文由Jay Amrish Desai撰写，材料科学与工程博士学位，对二维材料特别感兴趣。

[1]李志强，王志强，王志强，利用载荷和位移传感压痕实验测定硬度和弹性模量的一种改进方法，材料科学学报，1564,1992。

[2] Oliver, Warren C.，和Pharr, Georges M.，用仪器压痕测量硬度和弹性模量:方法的进展和改进，材料研究，3,2004。

[3]米诺，陈志伟，单志伟，陈志伟，陈志伟，铝纳米压痕塑性过程的研究进展，材料科学与工程，2004,12(2)。

[4]李晓东，李晓东，布山Bharat，纳米压痕连续刚度测量技术及其应用，材料表征，11,2002。

[5]曹广辉，张丽昌，曹广辉，含Fe和Ta的Ti基合金力学性能的纳米压痕研究，合金学报，892,2017。

[6]顾成东，连建生，蒋庆林，郑文涛，电沉积镍的应变率敏感性实验研究，物理学报，2004,27(4):457 - 457。

[7] Desai, Jay A.， Kumar, Alok，铁合金化对镍纳米结构演化和微观结构稳定性的影响，金属与材料国际，451,2016。