压头面积函数对纳米压入测试结果的影响

从纳米压入测量的基本原理出发介绍了压头面积函数及其校对方法,并对熔融石英进行了两次纳米压入测量,校对了两次压头面积函数,两次测量及校对的时间间隔为1a（年）。结果表明,两次校对后的压头面积函数差别较大。若第二次测量的熔融石英数据仍采用第一次校对的面积函数进行计算,将使杨氏模量和硬度测量结果产生很大误差,阐明了压头面积函数校对在纳米压入测试中的重要作用。     

纳米压入测试中面积函数测量方法综述

在纳米压入法材料力学性能测试中,面积函数的准确测量对保证测量结果的准确性非常重要。本文对纳米压入测试中常用的面积函数确定方法进行了分类介绍,并对各种方法的特点进行了分析,指出了为提高纳米硬度和弹性模量等力学性能参数的测量准确性对面积函数进行校准的必要性。     

压头钝化对纳米硬度测量的影响

压头面积函数是影响纳米硬度测量的一个主要因素。本文对由于压头端部钝化对纳米硬度测量的影响进行了分析,并通过实验进行了验证。结果表明,面积函数校准对提高纳米硬度等材料力学性能参数的测量准确性十分必要。     

极浅压入下纳米压痕仪针尖面积函数校准方法的研究

采用原子力显微镜直接扫描纳米压痕仪针尖法、球面拟合法和熔融石英标准样块的间接测量法对极浅压入下纳米压痕仪的针尖面积函数进行比较分析。实验表明,在极浅压入下,原子力显微镜直接法由于真实地反映了针尖尖端的几何形貌因而获得的面积函数更为准确可靠。建立了相应的数学模型,对于直接法测量中主要的误差,即由于原子力显微镜针尖曲率半径带来的误差进行了分析,结果表明在极小压入深度下压入深度越小,原子力显微镜针尖曲率半径带来的压痕仪针尖面积函数相对误差越大。     

纳米压入法的柔度效应及其校正

根据亚微压入仪的柔度测定,考察了仪器柔度对纳主入法测试材料表层硬度和弹性模量的影响,指出柔度因子主要影响卸载线的斜率,用单测点法弹性模量和硬度分布时修正测试结果。     

亚微压入位移的标定

介绍了一种亚微压入移标定的简易方法，该方法采用球形压头，在弹性变形范围内加载，通过对９组标准块厚度差的测量，对亚微压入仪的电测位移值进行校正，实验精度为１９ｎｍ，不确定度为７ｎｍ，其特点是检测方便，实验精度高，与光干涉法相当。     

纳米压痕仪的压头面积函数校准方法的比较研究

基于原子力显微镜的直接测量法和通过熔融石英标准样块校准的间接测量法对纳米压痕仪的压头面积函数及机架柔度进行校准,并将这2种方法的校准结果分别应用到熔融石英和聚碳酸酯2种标准样块的压痕测试。压痕实验结果表明,在较浅压入深度,直接测量法测得的硬度值和折合模量值比间接方法测得的结果准确,在较大压入深度,2种方法的测量结果相差不大。     

仪器化压入测量的计量研究概况

仪器化压入测量中的计量研究是保证测试结果准确性和可靠性的基础.介绍了仪器化压入测量的计量研究概况,讨论了现有国际和国家标准中的关键校准参数和校准方法.在回顾仪器化压入测量发展历程的基础上进一步讨论了该技术的最新发展趋势,依托升温/降温测量、便携式测量和大通量测量等亟需要开展的相应计量研究工作来支持这些新测量方法的研究和...     

晶粒尺寸及加载载荷对多晶Cu膜纳米压入硬度影响的研究

用高真空磁控溅射在Si片上沉积纳米晶Cu膜和非纳米晶Cu膜,通过纳米压入实验得到薄膜硬度。发现晶粒尺寸对薄膜材料的压痕尺寸效应有比较大的影响,同时随加载载荷的升高,纳米晶薄膜硬度的变化与非纳米晶薄膜有很大的不同。分析认为这是因为晶粒尺寸达到纳米尺度后,晶界体积大大增加,使得晶界变形,晶界运动和晶界对位错运动的阻碍等作用影响材料塑性变形和加工硬化能力造成的。     

显微硬度法与纳米压入法测量微米级硬质薄膜硬度的比较

测定了离子束辅助沉积TiN,CrN薄膜的纳米压入硬度（Hnano值）、维氏显微硬度（Hv值）和努氏显微硬度（HK值）。结果发现,HK值比Hv值更接近于Hnano值,相对较为准确。膜的厚度（t）越薄,三种方法测得硬度值差别越大;膜的厚度越厚,差别越小。随着膜的厚度增加,Hk值和Hv值逐渐接近Hnano值。t≈5．0μm时,Hv≈HK≈Hnano对于硬膜软基体模型,如果膜厚〉5．0μm,可以采用显微硬度计较为准确地测量薄膜硬度;膜厚〈5．0μm时,应避免使用显微硬度法而采用纳米压入法。     

两种微纳米硬度测试方法的比较

在对材料微纳米硬度测试中,可利用纳米压痕方法得到载荷-位移曲线,并用相关算法得到接触面积和硬度值;也可通过原子力显微镜测出压痕残余面积,由残余面积和最大载荷得到材料的硬度值.利用这两种方法对塑性材料单晶铝和脆性材料单晶硅做微纳米硬度测试试验,经过比较分析,这两种方法各有优势和不足,得到的材料微纳米硬度都有压痕尺寸效应,但第二种方法得到的微纳米硬度尺寸效应比第一种明显.     

基于70.3°圆锥形压头的材料压入测试方法研究

依据压入理论和弹塑性接触有限元分析,提出了采用70.3°锥形压头完成压入测试并基于能量方法获取金属材料本构关系的方法(Constitutiverelationshipbasedonenergymethodofindentation,CR-EMI)。该方法揭示锥形压入能量比与Hollomon屈服应力之间存在线性律,结合该线性律和载荷P-位移h曲线实现了材料Hollomon模型参数求取;同时,提出采用Hollomon模型参数并基于能量方法预测布氏硬度的方法(HardnessbasedonEnergyMethodofIndentation,H-EMI)。通过对多种金属材料进行压入试验和有限元分析,验证了CR-EMI方法和H-EMI方法的有效性与精确性。     

一种新的硬度试验方法及其仪器

介绍国际上一种新的硬度试验方法－用于硬度及材料其他参数测量的仪器化压痕试验方法。简述了万能硬度仪器的结构、原理和各种参数的测量、计算方法,并介绍该硬度试验方法在各个领域中的应用及其发展趋势。     

Zero‐Point Correction Method for Nanoindentation Tests to Accurately Quantify Hardness and Indentation Size Effect

Abstract: An original treatment method is proposed to accurately determine by nanoindentation, the macrohardness and the indentation size effect (ISE). This method is applied to stainless steel specimens having different rough surfaces. It uses load versus indentation depth curves and is based on two main original features. The first one concerns the correction of the zero point (i.e. depth equals to 0) to minimise the scattering between experimental curves. The latter are all described by usual hardness equations and are shifted by minimising the distance from a leading curve chosen in a random way among the experimental curves. The second feature is the simultaneous treatment of all the nanoindentation curves to compute the macrohardness and evaluate the ISE. The standard deviation for the estimated macrohardness is small, which indicates the robustness of the approach. It is shown that using a single nanoindentation curve can alter macrohardness estimation because of a bad consideration of the ISE. To prevent this misinterpretation, the curves should be treated simultaneously instead of averaging results of separately treated curves. A correlation is identified between the standard deviations of both surface roughness and correction of zero point, which highlights the effect of surface roughness on the scattering of the indentation curves.     

多壁碳纳米管增强水泥基复合材料的纳米力学性能

采用纳米压痕技术探讨了多壁碳纳米管（MWCNTs）对有骨料水泥基复合材料纳米尺度上力学性能的影响,分别对压痕模量（M）小于50 GPa和压痕硬度（H）小于4.0 GPa的数据进行了统计,对其频率分布进行了Gaussian函数（PDF）的解卷积分峰处理,并对低密度水化硅酸钙凝胶（LD C—S—H）和高密度水化硅酸钙（HD C—S—H）凝胶进行了定量的体积分数计算。结果表明,除LD C—S—H、 HD C—S—H、 Ca（OH）₂（CH）外,还出现了一个假相。MWCNTs降低了水化产物中LD C—S—H的体积分数,提高了HD C—S—H的体积分数,提高了C—S—H凝胶的压痕模量,但利用压痕模量和压痕硬度统计结果计算出的各相体积分数存在一定的差异。MWCNTs作为一种纳米晶核,对HD C—S—H凝胶形成起到了一定的诱导作用,从纳观尺度阐释了MWCNTs对水泥基材料的改性机制。     

Review of Instrumented Indentation

Instrumented indentation, also known as depth-sensing indentation or nanoindentation, is increasingly being used to probe the mechanical response of materials from metals and ceramics to polymeric and biological materials. The additional levels of control, sensitivity, and data acquisition offered by instrumented indentation systems have resulted in numerous advances in materials science, particularly regarding fundamental mechanisms of mechanical behavior at micrometer and even sub-micrometer length scales. Continued improvements of instrumented indentation testing towards absolute quantification of a wide range of material properties and behavior will require advances in instrument calibration, measurement protocols, and analysis tools and techniques. In this paper, an overview of instrumented indentation is given with regard to current instrument technology and analysis methods. Research efforts at the National Institute of Standards and Technology (NIST) aimed at improving the related measurement science are discussed.     

球压痕硬度基准装置研制

依据球压痕硬度量值定义,推导出了球压痕硬度基准装置中各量值的精度要求,并根据精度要求研制了球压痕硬度基准装置。介绍了装置的结构及控制系统的设计。实验结果表明:该装置具有量值溯源方便、计量性能稳定的特点,基准装置的扩展不确定度U_rel=1.0%（k=2）,优于JJG2019-1995《塑料球压痕计量器具》的规定要求,可在8.45～467.2 HB范围开展量值传递工作。     

基于能量的球压痕硬度的计算方法

采用Oliver-Pharr方法计算压痕硬度容易受到卸载斜率计算偏差的影响。为了提高压痕硬度计算的准确度,减小卸载斜率对压痕硬度的影响,假定最大压入深度下的接触半径与完全卸载后的压痕半径相等,根据Hertz接触理论,基于压痕功与压痕深度的线性关系,建立了压痕硬度与压痕功的显式模型。压痕试验的结果表明,基于能量的压痕硬度计算方法能够有效提高压痕硬度计算的准确度,可以满足工程实际需要。