超光滑表面纳米压痕硬度测试研究
超光滑表面力学性能对比研究
宇航 计测技 术
Ｊｕ ｎ ｌ ｆＡｓ ｏ ａ ｔ ｔ ｌｇ ｎ ａｕ ｅ ｎ ｏ ｒａ ｔ ｎ ｕｉ Ｍｅｒ ｏ ｙ ａ ｄ Ｍｅ ｓｒ ｍｅ ｔ ｏ ｒ ｃ ｏ
Ｄｅ ｃ．， ０ ２ ０８ Ｖｏ ． １ ２８． ． Ｎｏ ６
文章 编号 ：００— ２２ ２ ０ ）０ ０ ２ ０ １０ ７ ０ （０ Ｔ ９ ８２
文献标识码 ： Ａ
超 光 滑 表 面 力 学 性 能对 比研 究
贾世奎 李成贵 张庆荣 曹成 国 赵松伦
（． １ 北京 航 空航 天 大学仪 器科 学与光 电工程 学 院 ， 京 １０８ ； 北 ００ ３
２ 北 京机床 技 术研 究所 ， ． 北京 １ ０ ０ ） ０ １２ 摘 要 研究加工误差达到纳米级的试件表面力学性能及其评价。首先， 加工出表面粗糙度达到纳米级的
本文通过对两种不同材料的超光滑3实验研究表面进行残余应力和纳米压痕硬度测试得出各自的残余应力硬度值和弹性模量等参数分析结果之31实验过程问的联系及差异的原因探讨表面在纳米误差下力由于纳米压痕实验是破坏性实验故放在残余学性能评价对超光滑表面完整性评价和加工有一应力实验之后进行
２０ 年 １ ０８ ２月 第２ ８卷 第 ６期
ｓ ｏ ｈａ ｅ ｉ ｕ ｌｓｒ ｓ ｎ ａ － ａ ｄ ｓ ｓ ｓ ｍｅ ｒ ｌ ｔｏ ｓ ｉ Ｔｈ ｓ ｒ ｓ ｌ ｓ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｏ ｅ ｐｒ ｓ ｈ ｗｓ ｔ ｔｒ ｓｄ ａ ｔｅ ｓ ａ ｄ ｎ ｎｏ ｈ ｒ ｎｅ ｓ ｈａ ｏ ｅ ａｉｎ ｈ ｐ． ｉ ｅ ｕ ｔｉ ｉ ｎｆ ａ ｔ ｔ ｘ ｅ ｓ ｉ ｓ ｒａ ｅ ｉ ｔｇ ｉｙ ａ ｄ ｄ ｒ ｃ ｏ ｔ ｕ ａ ｅ ｍａ ｕ ａ ｔ ｒｎ ． ｕ ｆ ｃ ｎ ｅ ｒｔ ｎ ｉｅ ｔｔ ｈｅ ｓ ｒ ｃ ｎ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ ｆ Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｒａ ｅ Ｍｅ ｈ ｎｃ ｌｐｒ ｐ ｒｙ Ｒｅ ｉｕａ ｔｅ ｓ Ｈａ ｄ ｅ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ｕ ｆ ｃ ｃ ａ ｉａ ｏ ｅ ｔ ｓｄ ｌｓｒ ｓ ｒ ｎ ｓ
纳米压痕技术实验及其应用
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。
纳米压痕技术及其实验研究
图5 相关度量与旋转因子增量的关系平移因子增量、旋转因子增量、外轮廓相关度量的计算结果见表2,相关度量与平移因子增量、旋转因子增量的关系见图4、图5。
从图4、图5和表2可以看出,在确定平移和旋转因子初值之后再进行搜索,搜索数量不大,速度很快;沿X和Y方向分别只平移了012个像素和1个像素,并旋转了0106度,此时相关度量最大。
根据多次试验的经验,我们把平移因子的步长设定在012像素。
5 结论本文设计了基于图像处理的汽车密封条测量系统的硬件系统,利用牛顿插值函数实现了亚像素细分,建立了仿射变换模型。
测试试验证明:利用边界直径和公差要求确定图像平移和旋转初值、然后进行最大相关搜索的方法是行之有效的。
经过大量的试验结果统计,整个系统的长度不确定度在0102mm以内。
参考文献1 L Angrisani,P Daponte,A Pietrosanto,C Liguori.An image based measurement system for the characterization of autom otive gaskets.Measurement25(1999):169～1812 李庆利,张少军,李忠富等.一种基于多项式插值改进地亚像素细分算法.北京科技大学学报,2003,25(3):280～2833 钟家强,王润生.基于边缘的图像配准改进算法.计算机工程与科学,2001,23(6):25～294 曾文峰,李树山.图像配准参数的自适应求取方法.海军工程大学学报,2001,13(1):45～485 William C,Hasenplaugh,Mark A Neifeld.Image binarization techniques for correlation based pattern recognition.Opt Eng.1999,38(11):1907～1917第一作者:马 强,哈尔滨工业大学自动测试与控制系, 150001哈尔滨市收稿日期:2004年3月纳米压痕技术及其试验研究朱 瑛 姚英学 周 亮哈尔滨工业大学摘 要:介绍纳米压痕技术的基本原理和计算方法,从定义、适用范围和压痕面积的获得方法等三个方面指出纳米硬度与常规硬度之间的重要区别,对硬度的概念做了进一步讨论。
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
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。
纳米压痕实验报告
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。
纳米压痕实验报告(二)2024
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。
纳米压痕试验方法研究
纳米压痕试验方法研究一、引言随着科学技术的发展，材料科学领域的研究越来越深入。
纳米压痕试验作为材料科学领域的一种重要试验方法，能够在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
本文将介绍纳米压痕试验的背景和意义，阐述纳米压痕试验的原理和实验方法，分析纳米压痕试验结果并与传统试验方法进行比较，最后总结归纳纳米压痕试验的重要性和未来发展方向。
二、纳米压痕试验的背景和意义在材料科学领域，研究人员对材料的力学性能和机械行为的研究不断深入。
传统的力学试验方法通常是在宏观尺度上进行的，难以在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
因此，纳米压痕试验方法应运而生。
纳米压痕试验可以实现在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，为材料科学领域的研究提供更为准确的试验数据。
三、纳米压痕试验的原理和实验方法1、纳米压痕试验的原理纳米压痕试验是通过在材料表面施加一定压力的载荷，测量材料表面的变形和位移，从而获得材料的力学性能和机械行为。
在纳米压痕试验中，载荷一般采用压头为锥形或球形的力传感器，通过计算机控制系统实现对材料表面进行精确的位移控制和数据采集。
2、纳米压痕试验的实验方法纳米压痕试验的实验方法主要包括以下几个步骤：（1）选择合适的试样：根据研究目的和材料性质选择合适的试样。
试样表面应平整、无瑕疵，以保证试验结果的准确性。
（2）安装试样：将试样固定在纳米压痕试验仪上，确保试样稳定不动。
（3）选择合适的载荷和位移：根据试样材料性质和研究目的选择合适的载荷和位移范围。
（4）进行纳米压痕试验：通过计算机控制系统控制力传感器向下位移，实现对试样表面施加压力。
同时，采集试样表面的变形数据，记录下载荷和位移的变化情况。
（5）数据处理和分析：根据采集到的数据，进行曲线拟合、数据处理和分析，获得材料的力学性能指标和机械行为参数。
四、纳米压痕试验结果与传统的试验方法比较与传统力学试验方法相比，纳米压痕试验具有以下优点：1、精度高：纳米压痕试验可以在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，而传统力学试验方法是在宏观尺度上进行的，精度相对较低。
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
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。
纳米压痕硬度计测方法的研究进展
摘 要 ： 对 纳 米 尺 度 下 的材 料 硬 度 测 量 ， 用 纳 米 硬 度 计 得 到 压 痕 的 载 荷 一 深 曲 线 ， 用 原 子 力 显 针 利 压 并 微镜 得 到压痕 的 三维形 貌 图。 过载荷一 深 曲线和压 痕形貌 图， 通 压 以及 相 应 的 计 算 方 法 ， 以 得 到 纳 米 压 痕 可
硬 度 。 纳 米 压 痕 硬 度 计 测 方 法 不 同 ， 到 的材 料 硬 度 值 也 不 同 分 析 现 有 的 几 种 纳 米 压 痕 硬 度 计 测 方 法 ， 得
找 出 它 们 的优 缺 点 ， 对 未 来 发 展 方 向做 了展 望 。 并
关 键 词 ： 米 压 痕 ； 度 ； 算 方 法 纳 硬 计码 ： Ａ 文 章 编 号 ；０ ２６ ６ （ ０ ６ ０ —０ ６０ １ ０ — ０ １ ２ ０ ） ６０ ０ —４
２ ｃ ｈ ｏ ｆＭ ａｅｉｌＳ ｉｎｃ ｎ ｇｎ ｅ ｉｇ。Ｈａ ｂｎ Ｉ ｔｔ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｈａ ｂｎ １ ０ ０ ．Ｓ ｏ ｌｏ ｔｒａ ｃｅ ｅａ ｄ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｒ ｉ ｎｓｉｕ ｅｏ ｃ ｎ ｌｇ ｒ ｉ ５ ０ １，Ｃｈｎ ） ｉａ
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｆｏ ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｔ ｓ ｉ ｇ ａｔ ｎａ ｏ ｓ ａ ｅ， ｔ ｌ ａ ｄ ｐ ｈ ｃ ｖ ｓ ａ ｅ ｏ ａ ｎｅ ｂ ｓｒ ｃ ｔ ｒ ｈｅ ａ ｄｎ ｓ ｅ ｔ ｎ ｎ —ｃｌ ｈｅ ｏ ｄ— ｅ ｔ ｕｒ ｅ ｒ ｂｔ ｉ ｄ ｙ ｎ ｎ ｎ ｎｔｏｎ ｔ ｓ ｉ ａ ｈ ｎｅ ａ ｅ ｌ ３ ｄ ｍ ｅ ｉ ｏ ｐｈ ｌ ｙ ｉ ａ ｅ ｎｄ ｎ ａ ｉ ｎ ａ ｅ ｏ ａ ｎｅ ｙ ａ ｏｉ ｄｅ ｉ ｅ ｔ ｎｇ ｍ ｃ ｉ ｎｄ ｒ ａ － ｅ ｎｔｏｎ ｍ ｒ ｏ ｏｇ ｍ ｇ ｓ ｏｆ ｉ ｅ ｔ ｔ ｏ ｒ ｂｔ ｉ ｄ ｂ ａ ｏｍ ｉ ｆ ｃ ｉ ｒ ｓ ｏ ｔ ｃ ｏｒ ｅ ｍ ｃ ｏ ｃ ｐｙ． Ｔ ｈ ｎ ｎｄ ｎｔ ｔ ｏ ｒ ｎｅ ｓ ｃ ｎ ｂｅ ｃ ｅ ｅ ｂｙ ｔ ｓ ｕ ｖ ｓ， ｉ ａ ｅ ｎ ｅ ｎａ ｏｉ ｅ ａ ｉ ｎ ｈａ ｄ ｓ ａ ａ ｈｉ ｖ ｄ ｈｅ ｅ ｃ ｒ ｅ ｍ ｇ ｓａ ｄ ｃ ｒ ｅ ｐ ｄｉ ｃ ｌ ｕｌ ｔ ｎ ｍ ｅ ｈｏ ｏ ｒ ｓ ｏｎ ｎｇ ａｃ ａ ｉｇ ｔ ｄ． Ｔｈｅ ｎ ｎｏ ｎ ｎ ａ ｉ ｎ ｈａ ｄ ｓ ｖ ｌ ｓ ａ ｅ ａ ｉ ｄｅ ｔ ｔ ｏ ｒ ｎｅ ｓ ａ ｕｅ ｒ ｄｉｆ ｒ ｎ ｂ ｃ ｓ ｏ ｆ ｅ ｅ ｔ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｄ ｆ ｅ ｅ ｔ ｃ ｌ ｕｌ ｔ ｏｎ ａ ｍ ｅ ｓ ｅ ｅ ｍ ｅ ｈ ｓ ｉ ｆ ｒ ｎ ａ ｃ ａ ｉ ｎｄ ａ ｕｒ ｍ ｎｔ ｔ ｏｄ ． Ｃｏ ｐａ ｉ ｇ ａ ｄ ａ ｌ ｚ ｎｇ ｔ ｓ ｍ ｅ ｈ ｄｓ， ｔ ｅ ｒ ｍ ｒ ｎ ｎ ｎａ ｙ ｉ ｈｅ ｅ ｔｏ ｈ ｉ ａ ａ ａ ｅ ａ ｄ ｄｖ ｎｔ ｇ ｓ ｎ ｄｉ ａ ａ ｔ ｇ ｓ ｒ ｐｒ ｓ ｎｔ ｄ， ａ ｄ ｈｅ ｕ ｕ ｅ ｅ ｄ ｎｃ ｏｆ ｓ ｄｖ ｎ ａ ｅ ａ ｅ ｅ ｅ ｅ ｎ ｔ ｆ ｔ ｒ ｔ ｎ ｅ ｙ ｎａ ｏ ｎｄｅ ａ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎｔ ｔ ｏ ｈ ｒ ｎ ｓ ａ ｄ ｅｓ ｃ ｌ ｕｌ ｔ ｏ ｎ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｅ ｈｏ ｓ ｉ ｒ ｓ ｎｔ ｄ． ａｃ ａ ｉｎ ａ ｄ ｍ ａ ｕ ｅ ｎｔ ｍ ｔ ｄ ｓ ｐ ｅ ｅ ｅ Ｋｅ ｒ ： ｎ ｎ ｎｔ ｔ ｏ ｈ ｒ ｅ ｓ ｃ ｌ ｕｌ ｔｏｎ ｍ ｅ ｈ ｄ ｙ ｗｏ ｄｓ ｎａ ｏｉ ｄｅ ａ ｉ ｎ ａ ｄｎ ｓ ａ ｃ ａ ｉ ｔｏ
纳米压痕试验方法研究的开题报告
纳米压痕试验方法研究的开题报告一、研究背景纳米材料因其特殊的物理、化学和力学性质在材料学、物理学、化学、生物学等领域与传统材料和结构材料相比具有明显的优势。
纳米压痕试验是一种新型的材料力学测试方法，可以用于研究纳米材料的力学性能和表征材料的本质性质。
纳米压痕试验可以测量纳米材料的硬度和弹性模量，还可以研究材料的塑性变形、断裂行为等力学性能。
二、研究目的本研究旨在系统地研究纳米压痕试验方法的原理、测量原理、实验步骤和数据处理方法，并探讨其在纳米材料力学性能研究中的应用和改进。
三、研究内容1.纳米压痕试验方法的基本原理与测量原理2.纳米压痕试验的实验步骤和试验方案设计3.纳米压痕试验数据处理方法的研究4.基于纳米压痕试验的纳米材料力学性能研究及应用4.1 研究纳米材料硬度和弹性模量的实验方法和数据分析4.2 研究纳米材料塑性变形和断裂行为的实验方法和数据分析4.3 探索纳米压痕技术在材料表征中的应用4.4 研究纳米材料在实际应用中的力学性能四、研究方法1.文献调研：阅读相关文献，了解纳米压痕试验的应用及改进方向。
2.实验研究：进行纳米压痕试验，获取实验数据。
3.数据处理：利用统计学方法和计算机辅助分析工具对实验数据进行处理和分析。
五、研究意义本研究可以极大地推动纳米材料的研究和开发，提高纳米材料的应用效率和安全性能。
同时，通过本研究，可以使得纳米压痕试验的技术能够更好地应用于实际工程中，完成材料的表征，强化原有技术，推出更先进、更实用的材料测试技术。
六、预期成果在本研究中，将会获得以下成果：1. 基于实验数据的纳米压痕试验方法及数据处理方法的优化方案。
2. 一套高精度的应用于纳米材料力学性能测试和表征的纳米压痕试验设备。
3. 改进的纳米材料的力学性能测试方法，适用于不同种类的纳米材料。
4. 初步研究各种纳米材料的力学性能，为其应用提供重要数据基础。
七、研究计划1. 第一年：进行纳米压痕试验的实验研究，掌握试验方法，获取纳米材料的实验数据。
纳米压痕实验报告
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 硬度
纳米压痕硬度纳米压痕硬度是指利用纳米压痕仪测量材料表面硬度的一种方法。
纳米压痕技术可以在纳米尺度下对材料的硬度进行定量分析和评估。
本文将从纳米压痕的原理和方法、纳米压痕硬度的意义以及纳米压痕在材料研究和应用中的重要性等方面进行探讨。
一、纳米压痕的原理和方法纳米压痕技术是一种通过在材料表面施加微小载荷并测量其产生的压痕形成的深度和硬度来评估材料硬度的方法。
其基本原理是利用纳米压痕仪通过压痕针对材料表面施加一定的载荷，然后测量产生的压痕形成的深度，进而计算出材料的硬度。
纳米压痕的方法可以分为静态压痕法和动态压痕法两种。
静态压痕法是指在恒定载荷下测量压痕的深度，通过测量压痕的尺寸和载荷大小计算出材料的硬度。
动态压痕法是指在不同载荷下测量压痕的深度，并绘制载荷与压痕深度的曲线，通过分析曲线的斜率和形态等参数计算出材料的硬度。
二、纳米压痕硬度的意义纳米压痕硬度是材料硬度的一种重要指标，可以用来评估材料的力学性能和耐磨性能。
通过纳米压痕硬度的测量，可以对材料的力学性能、材料的组织结构和材料的表面性质等进行定量分析和评估。
纳米压痕硬度的测量结果可以用于研究材料的力学性能，如材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等。
同时，纳米压痕硬度还可以用于评估材料的耐磨性能，如材料的抗刮伤性能和抗磨损性能等。
三、纳米压痕在材料研究和应用中的重要性纳米压痕技术在材料研究和应用中具有重要的意义。
首先，纳米压痕技术可以用于研究材料的力学性能和耐磨性能，为材料的设计和开发提供重要的参考依据。
其次，纳米压痕技术可以用于评估材料的质量和性能，如材料的硬度、强度和韧性等。
纳米压痕技术还可以用于研究材料的力学行为和材料的变形机制等。
通过纳米压痕的实验研究，可以深入了解材料的变形行为和材料的力学性能等，为材料的设计和改进提供重要的理论基础。
纳米压痕技术在材料研究和应用中的重要性还体现在材料的表面改性和薄膜涂层等方面。
纳米压痕技术可以用于评估材料的表面硬度和涂层的质量，为材料的表面改性和薄膜涂层的应用提供重要的参考依据。
纳米压痕实验报告
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。
纳米压痕硬度计原理
纳米压痕硬度计原理
纳米压痕硬度计是一种用于测量材料硬度的仪器，其原理基于压痕理论和纳米力学。
本文将为读者详细介绍纳米压痕硬度计的原理及其应用。
纳米压痕硬度计的原理是通过在材料表面施加压力，然后测量压痕的深度和宽度，从而计算出材料的硬度。
压痕的深度和宽度可以通过高精度显微镜或原子力显微镜来测量。
纳米压痕硬度计的测量过程需要先将一个钨基的压头压在待测试材料表面，施加一定压力，然后缓慢卸载压头，此时留下了一个压痕。
通过测量压痕的深度和宽度，可以计算出材料的硬度。
在进行测量时，需要注意一些实验参数的选择，如压头的形状、大小、压力等。
这些参数的选择将直接影响到测量结果的准确性和可靠性。
纳米压痕硬度计的应用非常广泛，特别是在材料科学研究和工业应用中。
它可以用于测量各种材料的硬度，包括金属、陶瓷、聚合物等。
同时，还可以用于研究材料的力学性能、表面形貌、疲劳性能等。
纳米压痕硬度计是一种非常重要的材料测试仪器，其原理基于压痕理论和纳米力学。
通过测量压痕的深度和宽度，可以计算出材料的
硬度，从而了解材料的力学性能和表面形貌。
它的应用范围广泛，可以用于材料科学研究和工业应用中。
纳米压痕仪材料硬度测试
纳米压痕仪材料硬度测试在材料科学领域，了解材料的硬度是非常重要的，因为它能够影响材料的性能和适用范围。
为了准确测量材料的硬度，科学家们开发出了各种各样的测试方法，其中纳米压痕仪被广泛应用于材料硬度的检测。
1. 纳米压痕仪简介纳米压痕仪是一种用于测量材料硬度的仪器，它利用负荷施加到材料表面上的压痕来推断材料的硬度。
它可以通过控制负荷大小、压头形状和实施时间等参数来获得准确的硬度数据。
2. 实验步骤为了进行纳米压痕测试，首先需要准备好样品和仪器。
样品应具有一定的平整度和光洁度，以保证测试结果的准确性。
接下来，将样品放置在纳米压痕仪的测试台上，并根据样品的特性选择合适的压头形状。
然后，通过调节测试参数，如负荷大小、实施时间和扫描速度等，进行测试。
当测试完成后，纳米压痕仪将自动计算材料的硬度值。
3. 材料硬度测试的意义材料的硬度不仅可以用于评估材料的强度和耐磨性，还可以预测材料在特定环境下的表现。
例如，如果一个材料的硬度值较高，那么它很可能具有较好的耐磨性和抗变形能力，这意味着它可以在高负荷、高温或其它极端条件下长时间稳定地使用。
4. 应用实例纳米压痕仪的应用非常广泛。
在材料科学领域，它被用来评估金属、陶瓷、塑料、橡胶等各种类型材料的硬度。
这些数据有助于研究人员了解材料的性能、制定材料选择和加工方案，并为工程师提供材料性能的参考。
5. 结语纳米压痕仪是一种非常有用的材料硬度测试仪器，它在材料科学研究和工程实践中起着重要的作用。
通过使用纳米压痕仪，科学家们能够准确地测量材料的硬度，并据此进行材料性能预测和优化，为各种工程应用提供了有力的支持。
纳米涂层性能测试的技巧与分析方法
纳米涂层性能测试的技巧与分析方法纳米涂层是一种应用广泛的材料，具有许多优异的性能，如硬度高、耐磨损、抗腐蚀等。
为了确保纳米涂层的质量和性能，必须进行相应的测试和分析。
本文将介绍一些纳米涂层性能测试的技巧与分析方法，旨在帮助读者更好地了解和掌握这方面的知识。
首先，我们可以通过纳米压痕测试来评估纳米涂层的硬度和弹性。
纳米压痕测试是一种常用的测试方法，通过在样品表面施加压力并测量压痕的深度来评估材料的硬度和弹性。
该测试可以采用扫描电子显微镜（SEM）或原子力显微镜（AFM）进行。
通过纳米压痕测试，可以了解涂层材料的硬度、弹性模量和塑性指数等重要性能参数。
其次，我们可以使用纳米磨损测试来评估纳米涂层的耐磨性能。
纳米磨损测试可以模拟真实使用条件下的磨损情况，并测量涂层表面的磨损深度或失重量。
常用的纳米磨损测试方法包括球盘摩擦测试和滚筒磨损测试。
通过这些测试，可以评估纳米涂层的耐磨性能，为材料的使用提供可靠的依据。
此外，纳米涂层的抗腐蚀性能也是一个重要的指标。
我们可以使用电化学腐蚀测试来评估涂层的抗腐蚀性能。
电化学腐蚀测试可以模拟涂层在不同环境中的腐蚀情况，并测量电阻率、阳极极化曲线和腐蚀速率等指标。
通过这些测试方法，可以评估涂层的抗腐蚀性能，为选择合适的纳米涂层提供依据。
此外，纳米涂层的防粘附性能也是很重要的。
我们可以使用接触角测试来评估涂层的防粘附性能。
接触角测试通过测量涂层表面液滴的接触角，来评估涂层的亲水性或疏水性。
较高的接触角表示涂层具有较好的防粘附性能。
此外，还可以使用摩擦系数测试来评估涂层的防粘附性能。
通过摩擦系数测试，可以了解涂层在摩擦作用下的减摩效果和防粘附性能。
最后，我们可以使用纳米粒子分析技术来评估涂层的微观结构和成分。
纳米粒子分析技术包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等。
通过这些技术，可以观察涂层的表面形貌、晶体结构和成分分布情况。
这些信息对于了解涂层的微观特性和性能具有重要意义。
纳米压痕测试中材料变形控制的研究
纳米压痕测试中材料变形控制的研究纳米压痕测试是一种用于测量材料硬度、弹性模量、断裂韧性等物理性能的微观力学测试技术。
它通过在材料表面施加一个微小的载荷，并测量由此产生的压痕深度，从而得到材料的力学性能参数。
这种测试方法对于研究材料的微观结构与宏观性能之间的关系具有重要意义。
在纳米压痕测试中，材料变形的控制是确保测试准确性和可重复性的关键因素之一。
一、纳米压痕测试的原理与方法纳米压痕测试技术基于弹性体接触力学理论，通过测量压痕深度和施加的载荷，计算材料的硬度和弹性模量。
测试过程中，一个尖锐的压头（如钻石锥体）以一定的速率接近样品表面，并施加一定的载荷。
随着载荷的增加，压头逐渐压入材料表面，形成压痕。
通过精确测量压痕深度和相应的载荷，可以利用接触力学模型计算出材料的硬度和弹性模量。
纳米压痕测试的方法主要包括静态压痕测试和动态压痕测试。
静态压痕测试是在恒定载荷下进行的，主要用于测量材料的硬度和弹性模量。
动态压痕测试则是在变化的载荷下进行的，可以提供更多关于材料力学行为的信息，如疲劳性能、蠕变性能等。
二、材料变形控制的重要性在纳米压痕测试中，材料变形的控制对于获取准确可靠的测试结果至关重要。
材料变形包括弹性变形和塑性变形两部分。
弹性变形在载荷移除后可以恢复，而塑性变形则是永久性的。
准确的变形控制可以确保测试结果的可重复性，并有助于区分材料的弹性和塑。
材料变形控制的重要性体现在以下几个方面：1. 提高测试精度：精确控制材料变形可以减少测试误差，提高硬度和弹性模量的测量精度。
2. 区分材料特性：通过控制变形，可以更好地区分材料的弹性和塑性特性，为材料设计和应用提供重要信息。
3. 保护样品：过度的变形可能导致样品损坏，适当的变形控制可以保护样品，避免不必要的损伤。
4. 增强数据可比性：在不同条件下进行的测试，通过控制变形，可以提高数据的可比性，便于进行跨实验的比较分析。
三、纳米压痕测试中材料变形控制的策略为了实现有效的材料变形控制，研究人员采取了多种策略和技术。
纳米压痕硬度计测方法的研究进展_周亮
( 5)
式中: p 为载荷 , N; Ap 为塑性变形面积 , m ; W p 为塑性 功 , J; V p 为塑性变形体积 , m 。 压痕功方法认为压痕过程是能量消耗或做功的过 程 。 在加载过程中 ,对加载曲线积分得到的面积是做的
3 基于 AFM 图计算压痕投影面积的方法
1 Oliver- Pharr方法
利用纳米硬度计可以测得载荷 压深曲线 , 根据此 曲线及相应的计算方法可以得到纳米压痕硬度 , 其典 型载荷 压深曲线如图 1所示
[2, 7, 8 ]
。
Oliv er-Phar r 方法就是通过图 1 得到材料的纳米 压痕硬度。 它是目前使用最广的方法 ,也是市场上商业
。
2 压痕功方法 ( work- of- indentation)
压痕功方法最早由 Stilw ell和 T abo r 提出 。 压 痕功方法与传统的硬度定义一样 , 指最大加载载荷与 压痕塑性变形面积的比值 , 等同于塑性功与塑性变形 体积的比值 , 可用式 ( 5)表示 。 T uck 和 Korsunsky 等 将其应用于纳米压痕硬度测试中 。 Wp p Ap = V p
图 1 典型的载荷 压深曲线
化纳米硬度计中所设置的计算方法。 通过经典的弹塑 性 变形理论 , 由式 ( 1)～ ( 4)可求出接触表面的投影面 [2, 7, 8 ] 积 Ac 和硬度值 H op 。 H op = p / Ac S = ( d p /dh )h= h max = Bm ( h max - hf ) hc = h - X p max /S
式中: A pile-up为压痕中凸起的投影面积 ; A triangle为三角形 压痕面积 ; H c 为最大载荷与压痕面积 ( A pile-u p和 A triangle 之和 )比值得到的硬度 。 对于较规则的压头和规则的压痕 , 用这种方法得 到压痕面积更为精确些 , 而且对塑性和脆性材料也适 用 。 但从图 4和图 5 中可以看出 ,有些压痕即使包括凸 起部分 , 其弹性恢复后 , 在压痕边长的中间处仍是向内 部凹的 , 而不是向外凸出 ; 由于压头的不规则、 压头与 试件表面的不垂直 、 试件本身的不均匀性等因素的影 响 , 其三条边的凸起高度是不一样的 , 其弹性恢复程度 也是不同的 , 在更小的尺度下 , 压痕的不规则性更加明 显 , 而用式 ( 14)和 ( 15)得到的压痕面积将会有偏差。
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３ 试 验 结 果 分 析 与 结论
通过试 验结 果 的分析 和对 比 ，得 出以下几 点 ：
采用如下幂函数来拟合载荷 一 位移 曲线的卸载部分 ： Ｐ ＝Ｂ（ ） ｈ一 （） １ 式 中： Ｐ为作用在试样上的载荷 ， 和 ｍ为通过经验 测量获得 的拟 合参数 ，弹性接 触刚度就可 以根据式 （ ）的微分计算出： １
验 ，所 以在 测量 时 ，针对测 量 点 进行 标 记 。如此 ，在
图 ２ 被测试件表面受压前 后的压痕示意 图
以后 的测量过程 中，避开硬度测量点 ，避免破坏点 ，
影 响检测结 果 。
图 ２表示卸 载后 材料 的 弹性恢 复 情 况 ，微 纳 米 硬 度 的确定 是通 过最 大载荷 与接触 面 积 的投 影 关 系获 得 的 ，其具 体 理 论 方 法 如 下 ：根 据 Ｏｉｅ—ｈｒ 法 ， ｌ ｒ ａｒ方 ｖ Ｐ
在压头退出的过程中，弹性位移恢复 ，残余深度为 ｈ
对 于 弹 性 接 触 ，接 触 深 度 总 是 小 于 总 的 压 痕 深 度 。
典型的纳米压痕 过程的载荷 一 移 曲线如 图 １ 位 。 图 １ ｈ 是完全卸载后的残余压痕深度 ； 一是压痕 中 过程 的最 大 压 深 ；Ｐ 是 最 大 载 荷 ；Ｓ是 卸 载 曲线 顶 部 的斜率 ，物 理意义 为系统 接触 刚度 ；ｈ 是 卸 载 曲线
都 与压 头压深 的平方 成正 比。因此 ，材 料 加 载过 程 中 的载荷 Ｐ（ ） 与 压 头 压 深 ｈ ） 的平 方 成 正 比 ， （ 这 样加 载过程 中的 载荷与压 痕 的关 系 是一 条 近似 抛 物
根据经验公式， ： （ 计算出。实际压头的接触面 Ａ ｈ）
积 一般 表示 为一个级 数 ：
分辨 率 ：１ Ｎ Ｉ 。 ｘ
Ｐ
压针
初始平面
＼／ ＜
ｈ ｆ
’
／
ｌ ｆ ，
＼
／
面
测试 结果 如 图 ３所示 ，通 过测 得 硬度 变 化 曲线 可
以对其力学性能进行分析。每张图上有两条 曲线 ，分 别是探针压下去的硬度变化 曲线和探针离开过程中的 硬度变化 曲线。由于纳米硬度测量 是一种破坏性试
具 有直 观和 方便 的特 点 ，因此通 过 测 量 硬度 来 研 究 材
Ｏｉ ｒ ｈｒ方法进 行硬度 各参 数测量 时应注意 的 问 ｌｅＰａ ｖ— ｒ
题 ，分析结 果 对 超 光 滑 表 面加 工 也 有 一 定 的 指 导
意义 。 ．
１ 纳米压痕法 的测量原 理
目前 ，世界上主要的商业化纳米硬度计中所设置 的材料硬度和弹性模量的计算方法仍然是 由 Ｏｉ ｒ ｌｅ 和 ｖ
（ ）纳米压痕技术不 同于传统 的硬度测量技术 ， １ 在微纳米尺度下 ，纳米硬度 比传统硬度更能够准确反
映材 料 的硬度 特性 。
（ ）硬度随实验载荷的加大而减小 ，载荷较小时 ２
硬度值较高且误差较大 ，当载荷大于定值时曲线非常 平缓 ，硬度趋于某一固定值。弹性模量随实验载荷 的 变化与硬度随实验载荷的变化相似 ，当载荷大 于一定 值时曲线非常平缓 ，弹性模量趋于某一固定值 ，实验
［ 作者 简介 ］贾 世奎 （９ ０一） １８ ，男 ，河 北邯郸人 ，在读硕士生 ，研究方 向为精密测量 。
工业计量 ２Ｏ ０ ８年第 ｌ ８卷第 ２期 ．３ ．
计 ＂－ 试 与 检 定 １ 测 １
性 翻 耵 赡 ￣ ＯＹ ＴＳ ＥＨＯｏＹ： ｅ 建
一
微硬度的重要工具 。由于采用纳米压痕技术可以在极 小 的尺寸范围内测试材料的力学性能 ，除 了塑性性质 外 ，还可反映材料的弹性性质 ，因此得到 了越来越 Ｊ 广泛的应用。本文详细介绍 了纳米压痕法常用的 Ｏｉ ｌ — ｖｒ ｈｒ方法 的计算原理 ，通过对三种不 同材料的 ｅＰａ ． ｒ
ｄ Ａｎ ｓｓ ｅ ｕ ｔ ｈ ｄ ｒｃ ｉ ｉｎｆ ａ ｅ ｆ ｎ ｆ ｃｕ ｉ ｇ ｏ ｕ ｅ ｍｏ ｔ ｓ ｒ ｅ ｏ ． Ｍｙ ｉ ｒ ｓ ｌ ａ ｉｅ ｔ ｅ ｓｇ ｉ ｃ ｃ ｒ ｍａ ｕ ａ ｔｒｎ ｆｓ ｐ ｒ ｓ ｏ ｕ ｆｃ ． ｓ ｓ ｖ ｉ ｎ ｏ ｈ ａ
超 光滑 表 面进行 硬 度测 试 ，得 出它们 各 自的 硬度 值 和
步发展。因此，对纳米力学进行深入研究具有重要
弹性模量 ，分析 了结果差 异 的原 因，探讨 了在 采用
而现实的意义。硬度作为材料多种力学特性的 “ 显微 探针” ，与材料的强度 、耐磨性 、弹性、塑性 、韧性 等物理量之间都有着密不可分的联系。由于硬度测量
（ ｃ ｏｌ ｆ ｎｔ ｍ ｎ ｃ ｎｅａｄＯ ｔ ｅｅｔ ｎｃ ｎｉｅｒ ｇ ｅｊ ｇＵｎｖｒｉ ｆ ｅｏａ ｔ ｓ ｎ ｓｒｎｕ ｃ ，Ｂ ｉｎ ０ ８ Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ ｓ ｕ ｅ ｔ ｉ ｃ ｎ ｐｏ ｌｃ ｏｉｓＥ ｇｎｅｉ ，Ｂ ｉｎ ｉ ｓｙｏ ｒｎｕｉ ｄＡ ｔ ａ ｔ ｓ ｅ ｉｇ１ ０ ３， ｈｎ ） Ｉ ｒ Ｓｅ — ｒ ｎ ｉ ｅ ｔ Ａ ｃａ ｏ ｉ ｊ ０
Ｍｎ＝）ｙ Ｔｓ Ｅ Ｉ Ｌ《 ＥＩ Ｏ Ｅ ． ＥＴ Ｔ（｝ Ｊ Ｙ ＆ ＶＦ Ｉ Ｎ ）Ｇ １ Ｉ 》Ｉ 。 Ｉ ３ ｏ ｌ Ｆ
计 量 测 试 与 检 定
超 光 滑 表 面 纳 米 压 痕 硬 度 测 试 研 究
贾 世 奎 ，李 成 贵 ，刘 春 红
（ 北京航 空航天 大学 仪器科学 与光 电工程学 院 ， 京 北 １０ ８ ） ００ ３
顶 部切线 和横轴 的交 点 ，其 物 理意 义 为有 效 压痕 接 触
深 度 。在加 载过程 中纯弹性 材 料和 纯 塑性 材 料 的 载荷
Ｏｉ ｒ ｌｅ 等研究了抛物面形压头的接触深度、总的压痕 ｖ 深 度 和卸载后 的残余 深度 的关 系 ：
等
（ ３ ）
式 中 ： 为 与 压 头形 状 有 关 的参 数 ，对 于球 形 或 三棱 锥 形 （ ｅｋｖｃ） 压头 ， ＝ ．５接 触 面积 的投 影 可 Ｂ ｒｏｉ ｈ ０７
［ 摘
要 ］介绍纳 米压痕法常用 的 Ｏ ｉ ｒ ｈｒ 方法 的计算 原理 ，对 硬度 的概念 做 了进一步 讨论 。通 过对 三种不 同材 料 ｌ ｅ・ ａ ｖ Ｐ ｒ
的超 光滑表面进行硬度 测试 ，得 出它们各 自的硬度值 和 弹性模 量 ，分 析 了结 果差异 的原 因 ，探讨 了在采 用 Ｏｉ ｒ ｈ ｌｅ－ 町 ｖ Ｐ
ｎ ｉ ｒ ｎ ｅ ｔ ｅ ｕ ｔ ｒ ｌ ｅ ． ｏ ｕ ｇ ｓｉ ｓ ａ ｅ ｇｖ ｎ ｗｈ ｎ ｈ ｒ ｎ ｓ ａ ｅ ｉ ｅ ｔ ｄ ａ ｄ ｄｆｅｅ ｃ ｓ ｏ ｅ ｒ ｓ ｌｓｗｅ ｅ ａ ａｙ ｚ ｄ Ｓ ｍｅ ｓ ｇ ｅ ｔ ｎ ｒ ｉｅ ｅ ａ ｄ ｅ ｓ ｖ ｕ ｓ ｔｓｅ ｔ ｌ ｅ — ｈ ｒ ｔ — ｆ ｈ ｎ ｏ ｌ Ｉ Ｏ ｉ ｒＰ ａｒ ｍｅ ｈ Ｉ ｖ
料的 表 面 结 构 和 特 性 已 经 成 为 一 种 重 要 的 研 究 手段 ¨。 硬度测试方 法有 １ ０多种 ，大体上可 分为静载荷
压人 法 （ 布 氏 、维 氏 、洛 氏硬 度 ） 如 、动 载 荷 压 人 法 （ 肖氏 、锤 击 式 布 氏 硬度 ） 和 刻 划 法 三 大 类 。硬 度 如
Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｏｉｄ ｎａ ｏ ｙｗｏ ｄ ：ｎ ｎ — ｅ ｔｔ ｎ； ｎ ｎ —ａｄ ｅｓ ｕ ｅ ｍｏｔ ｕｆｃ ；Ｏｈ ｅ－ ｈ ｒ ｔ ｏ ｎ ｉ ａ ｏｈｒ ｎ ｓ ；ｓ ｐ ｒｓ ｏ ｓｒａ ｅ ｈ ｖ ｒＰ ａｒｍｅ ｄ ｈ
随着精密、超精密加工技术的发展 ，材料在纳米 尺度下的力学 特性引起 了人们 的极大关注。事 实上 ， 对微电子、微机械加工等方面的研究表 明，材料在该 尺度下往往表现出与宏观条件下完全不 同的特性。然 而，目前材料微纳米表层性能和表面结构的检测技术 还很不完善 ，甚至阻碍 了精密 、超精密加工技术 的进
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｎ — ａ ｄ ｓ ｓｉ ｇ ｏ ｕ ｅ ｍ ｏ ｔ ｕ ｆ ｃ ｓ ａ ｃ ｎ Ｎａ ｏ—ｈ ｒ ｎｅ ｓＴｅ ｔｎ ｆＳ ｐ ｒ Ｓ ｏｈ Ｓ ｒａ ｅ
Ｊ Ａ ｈ — ｕｉ ，ＬＩＣｈ ｎ — ｕ ，ＬＩ Ｃｈ ｎ ｈ ｎ Ｉ Ｓ ｉｋ ｅ ｇｇ ｉ Ｕ ｕ — ｏ ｇ
Ｐ ａ 在 １９ 年提出的，即 Ｏｉ ｒ ｈｒ方法。用金刚 ｈｒ ｒ ９２ ｌｅ－ ａ ｖ Ｐ ｒ 石针尖以极小 的力在试件表面压 出纳米级或微米级压
痕 ，并测试针尖在加载和卸载过程 中的压力和压入深
值没有明确的物理意义 ，它 的物理意义随试 验方法 的
不 同而 不 同 。纳米压 痕 法 可 以测 量 纳米 尺 度 下材 料
方 法进行硬度各参数测 量时应注意 的问题 ，分析结 果对超光滑表面加工也 有一定 的指导意义 。 ［ 关键词 ］纳米压 痕 ；纳米硬度 ；超光滑表 面 ；Ｏ ｉ ｒ ｈｒ 方法 ｌ ｅ— ａ ｖ Ｐ ｒ ［ 中图分 类号】 Ｔ ９８ Ｂ ３ ［ 文献标识码 ］Ａ ［ 文章编号 ］１０ ０ ２・１８ （Ｏ ８ ２－ ０ ３一 ３ １３ ２Ｏ ）０ ０ ０ ｏ
ｈｒｎ ｓ ｉ ｄｓｕｓｄａ ｏＮ ｎ —ａｄ ｅｓＶ ｕ ｓａｄｅａｔ ｏｕｕ ｒｅｗ ｒｐｅｅ ｅｅｄｔ ｍｉｅ ｍ ￣ ｅｐｒ ｎ ， ａｄ ｅｓ ｓ ｉ ｓ ｓ． ａｏｈｒｎ ｓ ａ ｅ ｎ ｌ ｉ ｍ ｌｓｏ ｔ ｅ ｏｋｉｃｓｗ ｒ ｅｅ ｎｄ ｔ ｕ ｘ ｅ ｍｅｔ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓｃ ｄ ｆｈ ｒ ｈ ｉ ｓ
图 １ 纳米 压 痕 试 验 的 载 荷 一位 移 曲线 图
（ ）用于 自助采集数据 的软件包 ； （ ）使用 Ｃ Ｅ ４ ５ ＳＭ 原 子力 显微 镜 扫 描 压 痕 图象 。主要 指 标 ：最 大 位 移 ：
２１ ０ ｍ；位 移分辨 率 ：０３ｘ ｘ ．１ ｍ；最 大 载荷 ：３０ ０ｍＮ；力