微纳米压痕仪

H
P A
H
P A2
A
该式表明在接触面积较小， 即压入深度较浅是，接触面 积测量误差对硬度测量误差 的影响较大，因此，纳米压 痕技术也被称为“表面敏感 测量”
4、纳米压痕技术新进展
结合AFM技术，对亚微米及纳米尺度的第二相进行 力学性能分析。
A
50
A
B
B
100
mm
mm
0
0
0
mm
50
0
mm
100
微纳米尺度力学性能分析。
Load (mN)
金属-陶瓷复 合材料两相 硬度测量
性能的信息。
4)人为因素影响较大，尤其是在压痕尺 寸较小的情况下。
二、微纳米压痕技术
1、基本力学性能测量
1）硬度 定义： H P
A
式中：P——载荷，N A——接触面积，m2
材料在压入过程中的基本变形行为
ht，hc
理想变形(Cu) ht=hc
ht = hc
ht:传感器检测到的压 头位移深度
Load (mN)
3.5
3.0 Load curve of point A
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
20
40
60
80
100
Indent depth (nm)
30
Load curve of point B
25
20
15
10
5
0
0
300 600 900 1200 1500 1800
Indent depth (nm)
hc:压头与材料接触面 积对应深度
ht hc
INDENTER
SAMPLE e.g. Cu
INDENTER
hc ht
堆起(Al) ht<hc
SAMPLE e.g. Al2O3
凹陷(Al2O3) ht>hc
发生凹陷变形材料实际接触深 度计算
hc
ht
P S
A f (hc )
基本力学性能测量
2）弹性模量
Hardness (GPa)
Hardness (GPa)
35
Hardness of point A
30
25
20
15 40 50 60 70 80 90 100 110
Indent depth (nm)
10
Hardness curve of point B
8
6
4
2
0
200
400
600
800
1000
Indent depth (nm)
8
10.05
Excitation Force
6
10
9.95
4
4.95
5
5.05
Time (seconds)
2
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Time (seconds)
只需要1次测量就可以 获得整条硬度-压入深 度曲线，大大降低了实 验工作量
3、误差来源
接触面积计算错误 (1) 表面粗超度大或几何形状不是平面 (2) 压头几何形状偏离理想形状 (3) 材料变形行为与设定不符合
Er
2
S A
1
1
2 i
1
v2
Er
Ei
E
基本力学性能测量
3）变形功测量
Wp We
准静态测量的缺点
Hardness (GPa)
40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
TiN film on Si
200
400
600
800
Displacement Into Surface (nm)
1000
表面强化层硬度随深度的变化规律
准静态测量的缺点
Average Hardness (GPa)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
50 100 150 200 250 300
Displacement (nm)
Load (mN) Load (mN) .
2、连续刚度测量
12
Nominal Force, P/P = Constant
10
Nominal Force
微纳米压痕技术
薄膜力学性能测量
一、传统压痕技术及不足
传统的硬度测量方法：洛氏、布氏、维 氏、莫氏硬度。其中以维氏硬度和努氏 硬度最为常见
1、维氏硬度定义H P 式中：P——载荷，N
A
A——残余面积，m2
维氏硬度压痕 努氏硬度压痕
2、传统显微硬度在表面镀层硬 度测量上的不足
1)压痕尺寸பைடு நூலகம்须足够大，而且清晰可见。 2)适用材料类型少 3)除了硬度数值不能得到其它有关力学