纳米压痕技术的基本原理（一）

纳米压痕技术是一种比较常用的测试材料力学性能的方法，由于这一技术基于高精度位移测试，文献中有时也称之为深度敏感压痕技术(Depth-Sensing Indentation Technique,DSI)；又由于这一技术需要借助于高精度位移及载荷测试装置，文献中有时又称之为仪器化压痕技术(Instrumented Indentation Technique,IIT)。它通过计算机控制压头压入被测材料，实时记录载荷的连续变化，并且在线监测压入深度,从而得到载荷-深度曲线，通过研究压头载荷随压痕深度的变化规律，可以了解材料的微观结构抵抗外力变形的能力，并计算出相应的力学性能参数，整个压痕过程包括加载与卸载两个阶段。加载过程中，压头作用在材料上的载荷P会随着压痕深度h的增加而增大，卸载后压头回到初始位置，在试样表面会残留的压痕痕迹，这是由于试样产生了塑性变形所导致的。

纳米压痕测量技术最为常用的方法是Oliver-Pharr(O&P)。根据实验测得的载荷-深度曲线，可以根据载荷-深度曲线求出弹性模量，而硬度(E)可由最大加载载荷(P_max)和压痕的残余变形面积求得。

图一 纳米压痕过程中的参数示意图

图一中，hc表示压头压入试样时的接触深度，Ac表示被测试样与压头接触的半径，hs表示压头压入试样时试样表面的位移。通过记录纳米压痕过程中载荷(P)，随压头压入基体深度(h)变化而变化，得到载荷-深度曲线（如图二所示），其中 P_max为最大载荷，h_max为最大位移，h_f为完全卸载后的残留的位移量，S为弹性接触刚度。

图二 载荷-深度曲线

[1]刘启涛．单晶铜纳米压痕过程中位错演化的分子动力学研究[D].武汉:华中科技大学,2018.

[2]Oliver W C，Pharr G M. Improved technique for determining hardness and elastic Modulus using load and disp lacement sensing indentation experiments[J]Journal of Materials Research，1992,7(6):1564-1583.

[3]刘兴华. 纳米压痕作用下双相TiAl合金变形机制研究[D].兰州理工大学,2021.DOI:10.27206/d.cnki.ggsgu.2021.000776.

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