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介绍纳米压痕仪的5种技术理论

  纳米压痕仪主要由轴向移动线圈、加载单元、金刚石压头和控制单元等四部分组成。压头材料一般为金刚石,常用的有伯克维奇压头(Berkovich)和维氏(Vicker)压头。压入载荷的测量和控制是通过应变仪来实现,整个压入过程由计算机自动控制,可在线测量载荷与相应的位移,并建立两者之间的相应关系(即P—h曲线)。在纳米压痕的应用中,弹性模量和硬度值是常用的实验数据,通过卸载曲线的斜率得到弹性模量E,硬度值H则可由最大加载载荷和残余变形面积求出。
  纳米压痕技术大体上有5种技术理论:
  (1)Oliver和Pharr方法:根据试验所测得的载荷一位移曲线,可以从卸载曲线的斜率求出弹性模量,而硬度值则可由最大加载载荷和压痕的残余变形面积求得。该方法的不足之处是采用传统的硬度定义来进行材料的硬度和弹性模量计算,没有考虑纳米尺度上的尺寸效应。
  (2)应变梯度理论:材料硬度H依赖于压头压人被测材料的深度h,并且随着压人深度的减小而增大,因此具有尺度效应。该方法适用于具有塑性的晶体材料。但该方法无法计算材料的弹性模量。
  (3)Hainsworth方法:由于卸载过程通常被认为是一个纯弹性过程,可以从卸载曲线求出材料弹性模量,并且可以根据卸载后的压痕残余变形求出材料的硬度。该方法适用于超硬薄膜或各向异性材料,因为它们的卸载曲线无法与现有的模型相吻合。该方法的缺点是材料的塑性变形假设过于简单,缺乏理论上支持。
  (4)体积比重法:主要用来计算薄膜/基体组合体系的硬度,但多局限于试验研究方法,试验的结果也难以完全排除基体对薄膜力学性能的影响。
  (5)分子动力学模拟:该方法在原子尺度上考虑每个原子上所受到作用力、键合能以及晶体晶格常量,并运用牛顿运动方程来模拟原子间的相互作用结果,从而对纳米尺度上的压痕机理进行解释。

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