纳米压痕测残余应力的原理
纳米压痕实验报告(二)2024
纳米压痕实验报告（二）引言概述：本文旨在对纳米压痕实验进行详细描述和分析，并总结实验结果。
通过纳米压痕实验，可以了解材料的硬度、弹性模量以及塑性变形特性。
本文将从实验装置介绍、实验步骤、实验结果、实验分析和实验总结五个大点进行阐述。
正文内容：一、实验装置介绍1. 纳米压痕仪的组成和原理2. 压头的选用和特点3. 实验样品的准备和要求4. 实验条件的设定和控制5. 纳米压痕仪的使用注意事项二、实验步骤1. 样品的固定和预处理2. 压头的校准和调节3. 设置实验参数和参考值4. 进行压痕实验并记录数据5. 样品的后处理和备份三、实验结果1. 压痕图像的观察和分析2. 压痕深度和荷载的关系曲线3. 硬度和弹性模量的计算4. 薄膜材料的厚度测量5. 实验数据的统计和整理四、实验分析1. 不同样品的硬度和弹性模量对比2. 纳米压痕实验中的误差来源3. 实验结果与预期值的比较4. 压痕图像的解析和分析5. 实验结果的可靠性和适用性评估五、实验总结1. 实验过程中遇到的问题和挑战2. 实验结果的重要性和应用价值3. 可能存在的改进和优化方案4. 进一步研究的方向和建议5. 对纳米压痕实验的认识和体会结论：本文详细介绍了纳米压痕实验的装置、步骤、结果分析和总结。
通过纳米压痕实验，可以获得材料的硬度、弹性模量等重要性质参数，并对材料的塑性变形特性进行研究。
实验结果可用于材料性能评估、质量控制和材料设计等方面。
然而，在实验过程中仍然存在一些问题和改进空间，需要进一步优化和探索。
希望本文的内容能够对相关研究和应用提供参考和借鉴。
压痕法残余应力测试
压痕法残余应力测试压痕法残余应力测试是一种常用的测试方法，用于评估材料表面的残余应力。
在材料制备或使用过程中，由于各种因素的影响，材料内部会形成一定的应力场。
这些残余应力可能会影响材料的性能和寿命，因此了解和控制残余应力对于材料工程来说非常重要。
在进行压痕法残余应力测试时，首先需要在待测试材料的表面施加一个样品尺寸相对较小的压痕。
这个压痕通常采用金刚石压头或硬质球体进行，因为金刚石具有较高的硬度和刚性，能够施加较大的压力而不易变形。
通过压痕产生的弹性变形和塑性变形，可以间接地测量出残余应力的大小和分布情况。
压痕法残余应力测试的原理是基于弹性力学和塑性力学的基本理论。
在施加压痕之前，材料表面是没有残余应力的。
但是，由于压痕会引起材料的局部弹性变形和塑性变形，会在其周围产生一定的应力场。
这些残余应力是由变形过程中的弹性回复和塑性留下的位错等缺陷引起的。
通过测量压痕的大小和形状以及周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
通常，在进行压痕法残余应力测试时，会使用光学显微镜或扫描电子显微镜等设备对压痕进行观测和测量。
通过分析压痕的几何形状参数，结合合适的数学模型和理论，可以得到残余应力的精确值。
压痕法残余应力测试在材料科学和工程的许多领域中得到了广泛的应用。
它可以用于评估不同材料的制备工艺对残余应力的影响，以及不同材料在使用过程中的变化情况。
压痕法残余应力测试还可以用于研究材料的应力分布和应力引起的变形行为，进一步理解材料的力学性能和行为规律。
总结回顾起来，压痕法残余应力测试是一种基于压痕的方法，用于评估材料表面的残余应力。
通过测量压痕的大小和形状，以及分析周围材料的变形情况，可以计算出残余应力的大小和分布情况。
这项测试在材料科学和工程领域具有广泛的应用，对于了解和控制材料的残余应力非常重要。
在本次的文章中，我们介绍了压痕法残余应力测试的基本原理和测试方法。
通过这项测试，可以评估材料表面的残余应力，进一步了解材料的性能和寿命。
应用纳米压痕法测量电沉积镍镀层残余应力的研究
０ 引 言
薄膜／ 基底 组合 体系的力 学性 能是 目前 的研 究热 点 ， 纳米压 痕技术 由于其极高 的力分辨 率和位 移分辨率 ， 能连续记 录加载 和卸载期间载荷与位移 的变化 ， 而特别 适合 于薄膜材 料力学 从
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一种基于纳米压痕技术估算残余应力的计算模型
一种基于纳米压痕技术估算残余应力的计算模型
杨宗岭;杨诗婷;田宪会;姜爱峰
【期刊名称】《内蒙古工业大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(41)4
【摘要】通过分析纳米压痕实验中压头的压入过程,推导了残余应力在此过程中所作的功,根据能量守恒原则,建立了压痕功和残余应力功之间的关系,并推导出了基于能量法的残余应力计算公式。
使用此公式估算材料残余应力并与已有Suresh模型、Lee模型和X射线衍射法的结果进行比较,结果表明,在固定压头载荷或压痕深度的
纳米压痕实验中,能量法模型计算结果大于Suresh模型、Lee模型的计算结果,随
着压头载荷或压痕深度的增加,能量法的计算结果与Suresh模型、Lee模型的变化趋势基本一致。
当固定压头载荷时,能量法计算结果的平均值约为实际施加应力值
的1.5倍,使用能量法计算选区激光熔化Ti-6Al-4V合金铺粉面的残余应力,计算结
果约为X射线衍射测量结果的1.5倍。
【总页数】6页(P318-323)
【作者】杨宗岭;杨诗婷;田宪会;姜爱峰
【作者单位】内蒙古工业大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB302.5
【相关文献】
1.基于深度-敏感压痕技术的喷丸铝锂合金板残余应力分布特征
2.纳米压痕理论在残余应力检测方面的技术进展
3.基于连续瞬态计算模型的焊接残余应力对船体结构强度影响研究
4.基于有限元法和纳米压痕技术的SS304/BNi-2/SS304钎焊接头残余应力分析
5.基于纳米压痕技术的兆声辅助电铸微器件残余应力研究
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用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系
本文首先介绍了本课题的研究背景和研究现状，对纳米压痕技术进行了较为 详细的叙述，阐明了我们选取本课题的依据。接着按如下思路归纳出了测量脆性 薄膜/韧性基底、脆性薄膜/脆性基底、韧性薄膜/脆性基底以及韧性薄膜/韧性基 底 四 种 膜 / 基 组 合 材 料 力 学 性 能 的 理 论 框 架 ：首 先 用 量 纲 分 析 的 方 法 将 纳 米 压 痕 过 程与被测材料的力学性能，如弹性模量、屈服强度及应变硬化指数等联系起来， 建立起两者之间简单的无量纲函数关系的结构形式，其次用有限元方法模拟压头 压 入 材 料 的 过 程 ，分 析 得 到 无 量 纲 函 数 的 具 体 形 式 ，最 后 根 据 实 测 的 载 荷 - 位 移 曲 线确定所需测量的力学性能参量。本文另一主要工作是详细介绍了用纳米压痕法 测 量 电 沉 积 镍 镀 层 应 力 -应 变 关 系 的 过 程 。 用 ABAQUS 有 限 元 软 件 模 拟 了 Berkovich 压头压入镍镀层 1000nm 的压痕过程，结合量纲分析得到的无量纲函数 关系式与实测的载荷-位移曲线，求得了电沉积镍镀层的屈服强度与应变硬化指 数 。本 文 还 引 用 了 马 德 军 用 纳 米 压 痕 法 测 量 韧 性 薄 膜 / 脆 性 基 底 组 合 材 料 的 力 学 性 能的工作。根据这两个实例，我们证明了该理论框架的可行性。
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湘潭大学硕士毕业论文
用纳米压痕法表征薄膜的应力-应变关系
自由 膜
部分约束
完全约束
线
岛或点
纳米压痕试验方法研究
纳米压痕试验方法研究一、引言随着科学技术的发展，材料科学领域的研究越来越深入。
纳米压痕试验作为材料科学领域的一种重要试验方法，能够在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
本文将介绍纳米压痕试验的背景和意义，阐述纳米压痕试验的原理和实验方法，分析纳米压痕试验结果并与传统试验方法进行比较，最后总结归纳纳米压痕试验的重要性和未来发展方向。
二、纳米压痕试验的背景和意义在材料科学领域，研究人员对材料的力学性能和机械行为的研究不断深入。
传统的力学试验方法通常是在宏观尺度上进行的，难以在纳米尺度上研究材料的力学性能和机械行为。
因此，纳米压痕试验方法应运而生。
纳米压痕试验可以实现在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，为材料科学领域的研究提供更为准确的试验数据。
三、纳米压痕试验的原理和实验方法1、纳米压痕试验的原理纳米压痕试验是通过在材料表面施加一定压力的载荷，测量材料表面的变形和位移，从而获得材料的力学性能和机械行为。
在纳米压痕试验中，载荷一般采用压头为锥形或球形的力传感器，通过计算机控制系统实现对材料表面进行精确的位移控制和数据采集。
2、纳米压痕试验的实验方法纳米压痕试验的实验方法主要包括以下几个步骤：（1）选择合适的试样：根据研究目的和材料性质选择合适的试样。
试样表面应平整、无瑕疵，以保证试验结果的准确性。
（2）安装试样：将试样固定在纳米压痕试验仪上，确保试样稳定不动。
（3）选择合适的载荷和位移：根据试样材料性质和研究目的选择合适的载荷和位移范围。
（4）进行纳米压痕试验：通过计算机控制系统控制力传感器向下位移，实现对试样表面施加压力。
同时，采集试样表面的变形数据，记录下载荷和位移的变化情况。
（5）数据处理和分析：根据采集到的数据，进行曲线拟合、数据处理和分析，获得材料的力学性能指标和机械行为参数。
四、纳米压痕试验结果与传统的试验方法比较与传统力学试验方法相比，纳米压痕试验具有以下优点：1、精度高：纳米压痕试验可以在纳米尺度上对材料进行精确的力学性能测试，而传统力学试验方法是在宏观尺度上进行的，精度相对较低。
纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究
纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究是一种利用拉曼光谱技术来研究纳米压痕残余应力的方法。
研究中，使用密度泛函理论(DFT)仿真模拟出纳米压痕残余应力场，然后使用拉曼光谱技术来测量和表征这一特殊的残余应力场。
首先，根据实验要求，将被研究的材料放置在特定的表面上，并用拉曼光谱仪进行实验。
拉曼光谱仪通常由一个激发源、一个检测设备和一个光学系统组成。
激发源可以是激光、X射线或电子束等，它可以产生拉曼散射。
检测设备包括探测器、放大器或电路，它可以测量拉曼散射信号。
而光学系统则可以实现拉曼散射信号的传输和聚焦。
拉曼光谱仪可以检测出材料表面的各种特性，如晶体结构、形貌、结构偏差和残余应力等。
为了获取精确的拉曼散射数据，首先需要对实验样品进行精确的定位，以便拉曼仪能够准确地测量其表面的拉曼散射数据。
此外，还需要确定拉曼仪的设置参数，如激发源的强度、检测器的灵敏度等。
实验室中完成实验之后，需要将所得的拉曼散射数据进行处理，以便研究结果更加清晰明了。
在数据处理中，将拉曼光谱数据处理为以相位图或者色谱图的形式展示出来。
数据处理过程中，可以用不同的参数进行拟合，从而得到纳米压痕残余应力场的具体数据，这将有助于进一步研究纳米压痕残余应力场的结构和特性。
此外，为了更好地了解纳米压痕残余应力场的特性，也可以采用密度泛函理论(DFT)进行仿真模拟，以确定纳米压痕残余应力场的具体结构。
DFT仿真可以计算出表面上每一个分子的残余应力，从而实现对表面残余应力场的精确表征。
最后，研究者可以通过对比实验结果和仿真结果，对表面的纳米压痕残余应力场进行更深入的研究。
通过综合考虑实验结果和仿真结果，可以更好地了解纳米压痕残余应力场的结构和特性，以便采取更有效的措施来改善材料的性能。
综上所述，纳米压痕残余应力场拉曼光谱实验研究是一种利用拉曼光谱技术来研究纳米压痕残余应力的方法。
在实验中，首先需要用拉曼光谱仪对实验样品进行测量；在实验结束后，将拉曼散射数据处理成相位图或者色谱图等格式；最后，利用密度泛函理论仿真模拟，结合实验结果，对纳米压痕残余应力场的结构和特性进行更深入的研究。
纳米压痕测试中材料变形控制的研究
纳米压痕测试中材料变形控制的研究纳米压痕测试是一种用于测量材料硬度、弹性模量、断裂韧性等物理性能的微观力学测试技术。
它通过在材料表面施加一个微小的载荷，并测量由此产生的压痕深度，从而得到材料的力学性能参数。
这种测试方法对于研究材料的微观结构与宏观性能之间的关系具有重要意义。
在纳米压痕测试中，材料变形的控制是确保测试准确性和可重复性的关键因素之一。
一、纳米压痕测试的原理与方法纳米压痕测试技术基于弹性体接触力学理论，通过测量压痕深度和施加的载荷，计算材料的硬度和弹性模量。
测试过程中，一个尖锐的压头（如钻石锥体）以一定的速率接近样品表面，并施加一定的载荷。
随着载荷的增加，压头逐渐压入材料表面，形成压痕。
通过精确测量压痕深度和相应的载荷，可以利用接触力学模型计算出材料的硬度和弹性模量。
纳米压痕测试的方法主要包括静态压痕测试和动态压痕测试。
静态压痕测试是在恒定载荷下进行的，主要用于测量材料的硬度和弹性模量。
动态压痕测试则是在变化的载荷下进行的，可以提供更多关于材料力学行为的信息，如疲劳性能、蠕变性能等。
二、材料变形控制的重要性在纳米压痕测试中，材料变形的控制对于获取准确可靠的测试结果至关重要。
材料变形包括弹性变形和塑性变形两部分。
弹性变形在载荷移除后可以恢复，而塑性变形则是永久性的。
准确的变形控制可以确保测试结果的可重复性，并有助于区分材料的弹性和塑。
材料变形控制的重要性体现在以下几个方面：1. 提高测试精度：精确控制材料变形可以减少测试误差，提高硬度和弹性模量的测量精度。
2. 区分材料特性：通过控制变形，可以更好地区分材料的弹性和塑性特性，为材料设计和应用提供重要信息。
3. 保护样品：过度的变形可能导致样品损坏，适当的变形控制可以保护样品，避免不必要的损伤。
4. 增强数据可比性：在不同条件下进行的测试，通过控制变形，可以提高数据的可比性，便于进行跨实验的比较分析。
三、纳米压痕测试中材料变形控制的策略为了实现有效的材料变形控制，研究人员采取了多种策略和技术。
纳米压痕理论在残余应力检测方面的技术进展
纳米压痕理论在残余应力检测方面的技术进展李青;刘士峰【摘要】This paper described the nano-indentation theory and two typical indentation models for characterizing the residual stress. The two models both assume that there is equal-biaxial residual stress on the specimen surface, and the model proposed by Suresh and A. E. Giannakopoulos can determine the residual stress through the contact area ratio of stressed and unstressed materials. Later, Y. H. Lee and D. Kwon modified the model, and transferred the contact area into the function of load. Therefore, the residual stress is only related to load. This paper also summarized the application examples which used the nano-indentation theory to detect residual stress. However, further research has to be made on the nano-indentation technique for detecting residual stress.%介绍了纳米压痕理论以及2种典型的测量残余应力的理论模型,这2种模型都假设表面存在等双轴残余应力.其中Suresh和A.E.Giannakopoulos模型测量残余应力是由存在残余应力时和没有残余应力时的接触面积之比来确定；随后Y.H.Lee和D.Kwon对该模型进行了修正,根据载荷与硬度的对应关系,将接触面积转换成载荷的函数；最后的残余应力计算仅与载荷有关.本文还详细综述了用纳米压痕理论检测残余应力的应用实例,最后提出用纳米压痕技术检测残余应力的可能性还有待更深入的研究.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】3页(P118-120)【关键词】纳米压痕;理论模型;残余应力;检测【作者】李青;刘士峰【作者单位】军械工程学院,河北石家庄 050003;邢台轧辊小冷辊有限责任公司,河北邢台 054000【正文语种】中文【中图分类】TG174.44纳米压痕(nano indentation)技术又被称为深度敏感压痕(depth sensing indentation)技术，是近年发展起来的一种新技术,它可以在不分离薄膜与基底材料的情况下，直接得到薄膜材料的许多力学性质，如弹性模量、硬度、屈服强度、加工硬化指数等[1-3]，其在微电子科学、表面喷涂、磁记录及薄膜等相关的材料科学领域得到越来越广泛的应用[4-6]。
纳米压痕技术及其在薄膜涂层体系中的应用
表面技术第51卷第6期纳米压痕技术及其在薄膜/涂层体系中的应用王宇迪1，王鹤峰1,2，杨尚余1，赵帅1，金涛1，肖革胜1，树学峰1（1.太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024；2.太原清泽智成科技合伙企业，太原 030024）摘要：综述了纳米压痕技术的发展历程及其在薄膜领域的应用。
介绍了当前实验室条件下主要采用的电磁驱动式纳米压痕仪的构造和工作过程。
为了保证测试结果的准确性，要在合适的温度、湿度下进行压入实验，借助保载来消除一些可以避免的误差。
阐述了压头的分类和选择原则，玻氏压头相比于维氏压头具有更小的中心线与棱面夹角，避免了尖端横刃对于压入结果准确性的影响，因此最常用的压头为玻氏压头；表征断裂韧性最合适的压头为立方角压头；表征微机电系统的弯曲采用楔形压头。
总结了通过最大载荷和压入面积得到涂层力学参量的分析流程。
归纳了将纳米压痕法应用于表征薄膜涂层的硬度和弹性模量、室温下蠕变性能、断裂韧性、残余应力、塑性性能等力学量的研究，如表征硬度和弹性模量的Oliver-Pharr法的应用，识别蠕变柔量的Lee-Radok模型的应用，分析断裂韧性的Lawn-Evans-Marshall模型的应用。
在涂层制备过程中，制备参数的改变可以使得涂层具有不同的力学性能，涂层厚度远小于表面尺寸，硬度和弹性模量仍然存在各向异性，非晶态结构涂层具有更高的硬度和弹性模量。
采用碳纳米管强化可以提高涂层的断裂韧性，涂层内存在适量的残余应力数值和合适的残余应力类型，可以改善涂层的力学性能。
具有多层结构、梯度结构等新型结构的涂层相比于传统涂层具有更优良的力学性能。
纳米压痕法结合AFM原子力显微镜可以实现原位测量，结合有限元法可以对于理论模型进行完善，并拓宽模型的适用范围。
最后，对于纳米压痕技术在薄膜涂层中的应用前景进行了展望。
关键词：纳米压痕；薄膜；涂层；力学性能；研究现状中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)06-0138-22DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.06.012Nanoindentation Technique and Its Application in Film/Coating SystemWANG Yu-di1, WANG He-feng1,2, YANG Shang-yu1, ZHAO Shuai1,JIN Tao1, XIAO Ge-sheng1, SHU Xue-feng1(1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2. Taiyuan Qingze Zhicheng Technology Partnership, Taiyuan 030024, China)收稿日期：2021–05–06；修订日期：2021–09–02Received：2021-05-06；Revised：2021-09-02基金项目：山西省回国留学人员科研资助项目（2020-030）；山西省科协项目（RZ2000004218）；山西省留学人员科技活动择优资助项目（20200028）Fund：Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China (2020-030); Shanxi Science and Technology Association Project (RZ2000004218); Shanxi Province Overseas Students Science and Technology Activity Funding Project (20200028).作者简介：王宇迪（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为金属力学性能实验表征。
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纳米压痕测残余应力的原理
纳米压痕测残余应力是一种用于测量材料表面或薄膜中残余应力的方法。
其原理基于材料受压后产生的弹性变形。
下面是一种常见的纳米压痕测残余应力的原理：
1. 硬度与残余应力关系：纳米压痕技术中使用的压头通常是针对性材料的圆锥或棱柱形状，通过将压头接触到材料表面并施加一定的负载来进行实验。
当负载超过材料的弹性极限时，材料会发生塑性变形并留下一个压痕。
2. 压痕形状分析：通过观察和测量压痕的形状和尺寸参数，可以推导出材料的硬度。
压痕的形状受到材料的力学性质、压痕深度和压头形状等因素的影响。
3. 弹性恢复的测量：在施加负载后，当负载减小或卸去时，材料会发生一定程度的弹性恢复。
通过测量压痕的弹性恢复行为（包括压痕直径、卸载弹性深度等参数），可以计算出残余应力。
4. 本构关系：利用材料的本构关系（描述应力与应变之间的关系），可以将弹性恢复行为转化为应力的变化。
然后可以通过解析方法或数值方法来计算残余应力。
纳米压痕测残余应力的优点在于它能够对材料表面的应力分布进行快速、准确的测量，并且对样品的尺寸要求较低。
然而，纳米压痕测量也存在一些限制，包括对材料的特定形状和力学性质的要求，以及测量过程中可能引入的误差等。