纳米压痕仪的硬度历史
纳米压痕技术表征T800碳纤维的弹性模量和硬度
纳米压痕技术表征T800碳纤维的弹性模量和硬度张东生;李新涛;夏汇浩;冯志海;赵高文【摘要】The elastic modulus and hardness of T800SC carbon fiber with different orientation respect to its axis direction were tested by nanoindentation,and the scatter in the data was treated in terms of the two-parameter Weibull statistical analysis.It is shown that with the increase of the intersection angle between the test plane and the axis direction,the elastic modulus and hardness of T800SC increase.When the intersection angle increases from 0° to 90°,t he elastic modulus of T800SC rises to (50.96±5.73) GPa from (5.84±2.00) GPa,and the hardness increases from (2.71±0.51) GPa to (5.24±0.91) GPa.For the elastic modulus and hardness of T800SC carbon fiber with different orientation,the modulus of Weibull distribution ranges from 9.0 to 10.5 and from 6.0 to 8.0,respectively.%利用纳米压痕技术对T800SC碳纤维不同取向(纤维轴向与纳米压痕测试面成θ夹角)的弹性模量和硬度进行了测试,结合Weibull分布函数对T800SC碳纤维不同取向的弹性模量和硬度进行统计分析.结果表明:随着测试面与纤维轴向夹角的增大,T800SC碳纤维的弹性模量和硬度逐渐增大.T800SC碳纤维的弹性模量从平行纤维轴向时的(15.84±2.00) GPa增加到垂直纤维轴向时的(50.96±5.73)GPa;T800SC碳纤维的硬度从平行纤维轴向时的(2.71±0.51) GPa增加到垂直纤维轴向时的(5.24±0.91) GPa.对于纤维不同取向的弹性模量,其Weibull模数在9.0～10.5;对于纤维不同取向的硬度,其Weibull模数在6.0～8.0.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2017(047)004【总页数】7页(P79-85)【关键词】纳米压痕;碳纤维;弹性模量;Weibull分布;硬度【作者】张东生;李新涛;夏汇浩;冯志海;赵高文【作者单位】中国科学院上海应用物理研究所,上海201800;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京 100076;中国科学院上海应用物理研究所,上海201800;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京100076;航天材料及工艺研究所,先进功能复合材料技术重点实验室,北京 100076【正文语种】中文【中图分类】TB332文摘利用纳米压痕技术对T800SC碳纤维不同取向(纤维轴向与纳米压痕测试面成θ夹角)的弹性模量和硬度进行了测试，结合Weibull分布函数对T800SC碳纤维不同取向的弹性模量和硬度进行统计分析。
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。
纳米压痕测硬度范围
纳米压痕测硬度范围一、纳米压痕测硬度范围，你知道多少呢？嘿，小伙伴们！今天咱们来唠唠纳米压痕测硬度范围这个超有趣的话题。
你想啊，硬度这东西在好多地方都特别重要呢。
硬度的概念其实就像是一个东西有多“硬气”。
纳米压痕技术呢，就是一种超级厉害的测量方法。
咱们先从一些简单的材料说起。
比如说金属，像铁啊，它的硬度在纳米压痕测量下就有一定的范围。
铁的硬度范围可能会受到很多因素的影响，像它的纯度、内部的晶体结构之类的。
再看看陶瓷材料。
陶瓷那可是相当硬的，但是在纳米压痕测量的时候，它的硬度范围也不是一个固定不变的值。
不同种类的陶瓷，比如氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷，它们的硬度范围就有差别。
还有聚合物材料呢。
聚合物相对来说比较软，但也不是软得没边。
在纳米压痕测量下，它们也有自己独特的硬度范围。
1. 那你知道金属材料中，铜的硬度范围大概是多少吗？2. 陶瓷材料里，碳化硅陶瓷的硬度范围比氧化铝陶瓷高还是低呢？3. 对于聚合物材料，聚乙烯的硬度范围在纳米压痕测量下和聚丙烯相比有什么特点？4. 纳米压痕测量硬度范围的时候，温度会对结果产生多大的影响呢？5. 不同的纳米压痕设备，测量同一种材料的硬度范围会不会有很大的偏差呢？6. 金属合金的硬度范围在纳米压痕测量时是不是比纯金属更复杂？7. 陶瓷材料如果有了一些微小的缺陷，它的硬度范围在纳米压痕测量下会怎么改变？8. 聚合物材料中加入了一些填充剂，纳米压痕测量的硬度范围会发生怎样的变化？9. 纳米压痕测量硬度范围，对于研究超硬材料有什么特殊的意义呢？10. 软质金属和硬质金属在纳米压痕测量硬度范围时，最明显的区别是什么？11. 陶瓷材料的硬度范围在纳米压痕测量下，和它的烧结工艺有没有关系呢？12. 聚合物材料的硬度范围在纳米压痕测量时，怎样的加工工艺会使它的硬度范围变化最大？答案和解析：1. 铜的硬度相对较低，在纳米压痕测量下，其硬度范围大概在某个数值区间（具体数值取决于多种因素如纯度等）。
纳米压痕实验报告(一)2024
纳米压痕实验报告（一）引言概述：纳米压痕实验是一种常用的材料力学测试方法，通过对材料进行微小压痕，可以研究材料的力学性能和变形行为。
本文将对纳米压痕实验的方法、实验装置、实验步骤、测试参数和结果进行详细介绍和分析，以期为深入了解纳米压痕实验提供参考。
正文：一、纳米压痕实验方法1.1 传统压痕法与纳米压痕法的区别1.2 纳米压痕实验的优势与应用场景1.3 实验材料的选择与准备二、纳米压痕实验装置2.1 纳米压痕仪器的组成与工作原理2.2 纳米压头的结构与功能2.3 实验中所需的辅助设备及其作用三、纳米压痕实验步骤3.1 样品的加工与制备3.2 实验前的样品表面处理3.3 压痕参数的设置与调整3.4 压痕实验的操作步骤3.5 实验后样品的处理与测量四、纳米压痕实验参数与理论分析4.1 压痕深度与硬度的关系分析4.2 压痕直径与弹性模量的计算方法4.3 弹性回弹与塑性变形的测定4.4 扩展失效与压痕形变的研究4.5 温度对压痕行为的影响五、纳米压痕实验结果与讨论5.1 实验样品的压痕图像与参数5.2 不同材料的压痕行为对比5.3 纳米压痕实验的数据可靠性与重复性5.4 工程应用中的纳米压痕实验案例5.5 纳米压痕实验的未来发展趋势总结：通过本次纳米压痕实验，我们深入了解了纳米压痕实验的方法、实验装置、实验步骤、测试参数和结果。
纳米压痕实验在材料力学研究和工程应用中具有重要的价值，通过对材料的微小压痕分析，可以获得材料的力学性能、变形行为等关键信息。
随着纳米技术的不断发展，纳米压痕实验将在材料科学、纳米材料、生物材料等领域的应用得到更广泛的拓展和深入研究。
纳米压痕技术综述
纳米压痕技术及其应用傅杰摘要：纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术，是最简单的测试材料力学性质的方法之一，在材料科学的各个领域都得到了广泛的应用，本文主要针对纳米压痕技术及其应用做一个简单概述。
关键字：纳米压痕技术，应用一、引言传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后。
通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度这种测量方法的缺点之一是仅仅能够得到材料的塑性性质。
另外一个缺点就是这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。
新兴纳米压痕方法是通过计算机控制载荷连续变化, 在线监测压深量, 由于施加的是超低载荷, 加上监测传感器具有优于1 nm 的位移分辨率, 所以, 可以获得小到纳米级的压深, 它特别适用于测量薄膜、镀层、微机电系统中的材料等微小体积材料力学性能可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等1]。
二、纳米压痕技术概述纳米硬度计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最常用的实验数据，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2]。
纳米压痕技术大体上有5种技术理论，他们分别是[2-3]：(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。
纳米压痕试验-浙江大学力学试验教学中心
浙江大学力学实验中心
5
• • • • • • • •
载荷分辨率：50nN 标准测试最大载荷：500mN 高载荷测试最大载荷：10N Z方向的位移分辨率：<0.01nm 最大压入深度：>500μm X-Y Table位移分辨率：1μm 行程范围：100 ×100mm 显微镜放大倍数： Video Screen ：25X Objective ：10X&40X
浙江大学力学实验中心
8
传统的准静态纳米压痕测试是利用卸载曲线获得接触刚度，每个压痕循环 只能获得最大压痕深度处的一个硬度和模量。连续刚度测量技术则可以直 接获得压入过程中采集的每个数据点对应压入深度的接触刚度，进而计算 出硬度与弹性模量等力学性能作为压入深度的连续函数。
12 10 Load（mN） 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Pmax S
3 4 5
2 1 2
E
S A 1 i2 Ei
6 7
用最小二乘法拟合卸载曲线顶端的25%~30%，得到（1）式，然后计 算出接触刚度即（2）式，用（3）式计算出接触深度，代入（4）中 求得接触面积，于是得到硬度即（5）式。利用接触刚度和接触面积 计算得到折合模量即（6）式，然后利用（7）式以及压针的模量和泊 松比计算样品材料的弹性模量。
浙江大学力学实验中心
10
装载样品
浙江大学力学实验中心
11
Nanosuite软件界面
浙江大学力学实验中心
12
注意事项
1）
2）
3）
浙江大学力学实验中心
13
浙江大学力学实验中心
14
• 纳米压痕是一种先进的微尺度力学测量技术。它是通过测 量作用在压针上的载荷和压入样品表面的深度来获得材料 的载荷-位移曲线。其压入深度一般控制在微/纳米尺度， 因此要求测试仪器的位移传感器具有优于1nm的分辨率， 所以称之为纳米压痕仪。 • 测量的材料力学性能包括：弹性模量、硬度、屈服强度、 断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性等。
纳米压痕试验
浙江大学力学实验中心
5
• • • • • • • •
载荷分辨率：50nN 标准测试最大载荷：500mN 高载荷测试最大载荷：10N Z方向的位移分辨率：<0.01nm 最大压入深度：>500μm X-Y Table位移分辨率：1μm 行程范围：100 ×100mm 显微镜放大倍数： Video Screen ：25X Objective ：10X&40X
浙江大学力学实验中心
传感器
光学显微镜 样品台
3
Vibration Isolation Cabinet 隔热和隔音 Computer Monitor
CSM Controller 连续刚度测量
Keyboard
NanoSwift Controller 控制和采集位移和力的变化
浙江大学力学实验中心
4
Schematic of the Nano Indenter G200
浙江大学力学实验中心
2
• 一、TriboIndenter®是Hysitron公 司生产的低载荷原位纳米力学 测试系统，可进行压入和划入 测试。右上图为其核心部分。 • Hysitron公司：1992年成立于美 国明尼苏达州，是一家专门致 力于原位纳米力学测试系统设 计、生产和销售的公司。 • 二、Nano Indenter®是最早研制 的压入测量仪器。右下图为其 核心部分。 • 1983年Nano Instruments公司在 美国田纳西州成立并开始研发 Nano Indenter®，1998年被MTS 公司收购，MTS公司2008年被 Agilent公司收购。
纳米压痕方法在材料研究中的应用
材料硬度与弹性模量测定
硬度
纳米压痕方法通过测量压痕深度和压痕面积的关系，计算出 材料的硬度，对于了解材料的力学性能和耐久性具有重要意 义。
弹性模量
通过纳米压痕方法可以测量材料在受压和卸载过程中的应力应变曲线，从而计算出材料的弹性模量，反映材料的刚度。
材料疲劳性能研究
疲劳极限
通过在材料表面施加循环应力，观察材料在多次加载过程中的形变和失效行为， 可以测定材料的疲劳极限，评估材料的疲劳寿命。
材料内部结构的影响
材料成分分析
采用成分分析仪器，如能谱仪和质谱仪，对材料成分进行 详细分析，了解材料内部结构对纳米压痕的影响。
微观结构观察
采用微观结构观察仪器，如透射电子显微镜和X射线衍射 仪，对材料微观结构进行详细观察和分析，了解材料内部 结构对纳米压痕的影响。
实验验证
通过实验验证材料内部结构对纳米压痕的影响程度，为后 续的实验提供参考和依据。
材料表面粗糙度的影响
表面预处理
对材料表面进行抛光、研磨等预处理，降低表面粗糙度，减小其对 测量结果的影响。
表面形貌观察
采用表面形貌观察仪器，如原子力显微镜，对材料表面形貌进行详 细观察和分析，了解表面粗糙度对纳米压痕的影响。
实验验证
通过实验验证表面粗糙度对纳米压痕的影响程度，为后续的实验提供 参考和依据。
与其他物理和化学手段结合
将纳米压痕技术与X射线衍射、光谱分析等手段相结合，深入探究 材料的结构和性质。
跨学科合作与交叉
加强与其他学科领域的合作与交叉，推动纳米压痕技术在更多领域 的应用和发展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
生物医学应用
探索纳米压痕技术在生物医学领域的应用，如细胞和组织力学、 药物传递等。
纳米压痕原理
纳米压痕原理纳米压痕技术是一种用于材料表面硬度和弹性模量测量的先进技术。
它是由威廉姆斯和奥利弗在1992年首次提出的，通过在纳米尺度下施加压痕来研究材料的力学性能。
纳米压痕技术已经被广泛应用于材料科学、纳米材料、薄膜材料、生物材料、金属材料等领域。
纳米压痕原理基于弹性理论和塑性变形理论，通过在纳米尺度下施加压痕来研究材料的硬度、弹性模量和塑性变形行为。
纳米压痕技术主要包括压头和样品的接触、加载、保持和卸载四个阶段。
在压头和样品接触阶段，压头逐渐接触到样品表面直到建立稳定的接触。
在加载阶段，压头施加载荷并逐渐形成压痕，记录载荷和压头位移的关系。
在保持阶段，保持载荷不变，使压头停留在最大载荷位置，记录载荷和时间的关系。
最后在卸载阶段，卸载载荷并记录载荷和压头位移的关系。
纳米压痕技术的原理是通过对压头载荷和位移的关系进行分析，可以得出样品的硬度和弹性模量等力学性能参数。
硬度是材料抵抗外界力量侵入的能力，是材料表面的一个重要力学性能参数；弹性模量是材料在弹性阶段的应力和应变关系，是材料的一个重要弹性参数。
通过纳米压痕技术可以实现对材料力学性能的定量分析和表征。
纳米压痕技术具有高分辨率、无损伤、样品制备简单、操作方便等优点，已经成为研究材料力学性能的重要手段。
它在材料科学、纳米材料、薄膜材料、生物材料、金属材料等领域有着广泛的应用前景。
通过对纳米压痕原理的深入理解和研究，可以推动材料力学性能表征技术的发展，为材料设计和制备提供重要的理论和实验基础。
总之，纳米压痕原理是一种重要的材料力学性能表征技术，通过对压头载荷和位移的关系进行分析，可以得出样品的硬度和弹性模量等力学性能参数。
纳米压痕技术具有高分辨率、无损伤、样品制备简单、操作方便等优点，已经成为研究材料力学性能的重要手段。
通过对纳米压痕原理的深入理解和研究，可以推动材料力学性能表征技术的发展，为材料设计和制备提供重要的理论和实验基础。
纳米压痕仪测硬度
利用纳米压痕测量表层残余应力摘要经过差热收缩，薄铜箔产生等量的双轴残余应力（高达约175兆帕）。
随后，这些箔片在位移控制下出现压痕后测量负载—位移—时间特性。
实验发现，随着（拉伸）残余应力的增加，渗透到一定深度（一定时间内）所需的应用负载减小，这与有限元模型测试结果（包括塑性和蠕变）相符。
本文主旨就是关于这种变化的灵敏度。
实验观察到，相对较小的残余应力变化（几十兆帕的顺序排列）能产生影响。
这种影响应通过他们对纳米反应的影响检测出。
鉴于这种技术在表征（平面）表层残余应力特别是点对点变化的映射（对应获得准确的绝对值）的潜力，这是令人鼓舞的。
与此相反，它表明残余应力水平变化产生的硬度变化更小且更难分析。
materialia2011学报，爱思唯尔公司出版，保留所有权利。
关键词：纳米压痕；有限元分析；残余应力；无损检测1.介绍一般（平面）残余应力会影响屈服和塑性应变性能，它的存在影响试样近表区压痕响应。
曾有人提出这些压力可运用纳米压痕技术检测和测量。
这是个吸引人的想法，因为它能让这样的残余应力以无损的方式得到快速测量，可能他们能在成分表面被映射—例如，在焊缝。
Tsui et al. [1]研究了纳米压痕技术通过强加弯矩产生的残余应力对硬度（H）和杨氏模量（E）值的影响。
正如预期的一样，实验数据表明E对残余应力并无依赖（测量接触面积修正后）。
但是修正后硬度也不受残余应力的影响，一般来说硬度是受影响的（假设他们有一个偏差分量）。
然而，他们的数据有一定的干扰性，这些实验里，针对对残余应力减小水平的敏感度很低。
其他组在应用残余应力下测到了硬度变化。
Tsui et al. [1]组表明，当堆积发生，传统硬度测量方法容易产生错误。
考虑到压头与试样的实际接触面积使得不确定因素增多，这的确是很有可能的。
事实上，任何依靠压头面积函数的分析都有这种局限—至少对表现明显堆积的材料压痕是这样。
随即的文献5，作者提出了相同的有限元模型（FEM）模拟，模拟表明，除大的（拉伸）残余应力的情况以外，硬度不受残余应力影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
硬度历史
[Developed by Friedrich Mohs in 1822]
传统硬度测试方法
材质
硬度指数金刚石
10刚玉
9黄玉
8石英
7正长石（长石）
6磷灰石
5萤石
4方解石
3石膏
2云母1莫氏硬度
«一种材质可以刻划另一种材质或者被另一种材质刻划的能力»
[Developed by Johann Brinell in 1900]
布氏测试方法
施加载荷
金相显微镜观测并计算压痕的残留接触面积
传统硬度测试方法
布氏硬度测试, H B
S
F 102.0HB ⨯=)a d d (2
d S 22--π=S =残留印迹曲面面积
(A d )F 单位为N
a 和d 单位为mm F
Ød
Øa
面积残留印迹压力=HB 传统硬度测试方法
[Developed by Stanley Rockwell in 1919]洛氏硬度测试施加初始试验力
施加主试验力
测量压入深度
传统硬度测试方法
洛氏硬度, HR (HR C , HR B , …)
F 0(100 N)050
100
F 0
F + F 00.2 m m 硬度标尺(C, B, A…)
120 °
卸载初始试验力
“初始”加载
测试过程“主试应力” 加载HR C = 100 -p
加载深度p 圆锥或球形
压头
HR
传统硬度测试方法
维氏（正四棱锥）努氏（菱形）显微维氏/努氏硬度测试施加载荷
金相显微镜测量压痕面积
传统硬度测试方法
维氏/努氏硬度测试, HV
2
189.0d F HV ⨯=其中F —载荷（牛顿）
d 1，d 2－压痕对角线长度（毫米）2d d d 21+=F 四棱锥金字塔形压头136 °
d 2d 1压痕面积加载力
=HV 传统硬度测试方法
2d 2sin 2102.0102.0αF S F HV ⨯=⨯=。