纳米压痕技术简介

纳米压痕又称微压入法，主要用于测量硬质膜和耐磨薄镀层的硬度。纳米压痕技术是近些年发展起来的一种最新硬度测试方法。纳米压痕技术除开硬度值外，还可以得到如弹性模量、屈服强度、塑性形变阻力等力学性能数据。

纳米压痕技术主要用于测量硬质膜层和极薄的表面强化层等复合材料在不用分离薄膜与基体材料的情况下直接测得薄膜材料的硬度、弹性模量等数据。纳米压痕技术的应用在微电子科学、表面喷涂、磁记录以及薄膜材料加工等相关的材料科学领域中得到越来越广泛的应用。

微压入过程的加载——卸载曲线见图所示：

         纳米压痕过程的加载—卸载曲线

由卸载曲线BC在B点处的曲线斜率为：

式中：S——弹性接触韧度；
            Er——约化弹性模量；
            E——杨氏模量；
            γ——泊松比；
            A——弹性接触面的投影面积；
以上公式适用于各种形状压头，包括四棱角锥(维氏)、圆锥、三角棱锥。对于维氏压头，公式可简化为：

式中：hr'——实际压入深度；
            ht——理沦压痕深度；

 

硬度H主要由塑性形变决定，可以代表塑性形变抗力，这与传统硬度测量相同。最大压入量hmax应小于膜层厚度的1/10，以便尽量减小基体影响。应注意区分微压入法与传统硬度的区别．对于以塑性变形起主要作用的过程，两种定义给出类似的结果。但是以弹性变形为主的接触过程，两种定义将给出完全不同的硬度。因为以纯弹性接触为主的过程，其卸载后，剩余接触面积非常小，按传统定义将导致硬度无穷大。

为了从载荷一位移数据计算出硬度和弹性模量，必须准确地知道弹性接触韧度和接触面积，纳米压痕与传统硬度测试的根本区别就是纳米压痕非常小，压入深度非常浅，只能通过经验公式推算出接触面积，而传统方法是在卸除载荷后测量压痕参数获得。

目前，被广泛用来确定接触面积的方法被称为Oliver-Pharr方法，该方法是通过将卸载曲线顶部的载荷与位移关系，拟合为一指数关系公式，并通过高精密专用仪器来完成所有的测试并通过计算机得知测试结果。

纳米压痕系统见图所示：

                 纳米压痕系统简图

上图系统加载及位移的分辨力分别为0.3uN及0.16nm。阅读本文的用户还对以下文章感兴趣：
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