纳米压痕
纳米压痕技术实验及其应用
纳米压痕技术实验及其应用简介纳米压痕技术（Nanoindentation）是一种用于研究材料力学性质的精密技术。
通过在材料表面施加一定载荷，然后测量载荷与压痕深度之间的关系，可以得到材料的硬度、弹性模量等力学性质。
本文将介绍纳米压痕技术的基本原理、实验步骤以及在材料科学领域中的应用。
基本原理纳米压痕技术基本原理是利用钢球或金刚石尖端通过纳米压头在被测材料表面施加载荷，然后测量载荷与压痕深度的关系。
通过分析载荷-压痕深度曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量等力学参数。
实验步骤1.样品制备：制备需要进行纳米压痕实验的材料样品，通常是块状的金属、陶瓷、聚合物等材料。
2.仪器校准：校准纳米压头的载荷传感器和位移传感器，确保实验数据准确可靠。
3.压痕实验：在样品表面选取合适的位置进行压痕实验，在一定载荷范围内施加载荷并记录载荷-压痕深度曲线。
4.数据处理：通过数据处理软件对实验数据进行分析，计算得到材料的硬度、弹性模量等力学参数。
应用领域纳米压痕技术在材料科学领域中有着广泛的应用，主要包括：•材料硬度测试：纳米压痕技术可以准确测量材料的硬度，对于评估材料的力学性能非常重要。
•薄膜力学性质研究：对于薄膜材料而言，纳米压痕技术可以有效地评估其力学性质。
•生物材料力学性质研究：在生物材料研究领域，纳米压痕技术可以帮助科研人员了解生物材料的力学性能，如骨骼、牙齿等。
结论纳米压痕技术作为一种精密的材料力学测试方法，在材料科学领域有着广泛的应用前景。
通过实验分析，可以更准确地评估材料的力学性能，为材料设计和研发提供重要参考。
以上就是关于纳米压痕技术实验及其应用的文档内容，希术能对您有所帮助。
纳米压痕的作用
纳米压痕的作用纳米压痕是一种利用纳米尺度的压痕技术来对材料进行测试和研究的方法。
它通过在纳米尺度下施加压力，观察材料的力学性能和表面形貌的变化，从而揭示材料的力学特性和性能。
纳米压痕可以用来评估材料的硬度和弹性模量。
硬度是指材料抵抗切割或压痕的能力，而弹性模量则是材料在受力时的变形程度。
通过纳米压痕测试，可以测量材料在纳米尺度下的硬度和弹性模量，从而了解材料的力学性能。
纳米压痕还可以用来研究材料的变形行为和塑性变形机制。
材料在受到外力作用时会发生变形，这种变形可以是弹性变形或塑性变形。
纳米压痕可以通过观察材料的塑性变形行为，揭示材料的塑性变形机制，如滑移、位错形成等。
这对于理解材料的变形行为和改善材料的塑性变形性能具有重要意义。
纳米压痕还可以用来评估材料的磨损和疲劳性能。
磨损是材料在与其他物体接触时表面受到的损伤，疲劳是材料在受到周期性加载后发生的损伤。
通过纳米压痕测试，可以模拟材料在实际使用中的磨损和疲劳情况，评估材料的耐磨性和耐久性。
纳米压痕还可以用于材料的表面形貌分析。
材料的表面形貌对于其性能和功能具有重要影响。
通过纳米压痕测试，可以观察材料在纳米尺度下的表面形貌变化，揭示材料的表面特性和形貌演变规律。
这对于材料的表面处理和改善具有指导意义。
值得注意的是，纳米压痕作为一种表征材料力学性能和表面形貌的方法，具有一定的局限性。
首先，纳米压痕测试需要专用的仪器和设备，成本较高。
其次，纳米压痕测试需要对材料进行预处理和样品制备，操作复杂。
此外，纳米压痕测试的结果可能受到多种因素的影响，如样品的形状和尺寸、试验条件等。
纳米压痕是一种重要的材料测试和研究方法，具有评估材料硬度和弹性模量、研究材料变形行为和塑性变形机制、评估材料磨损和疲劳性能、分析材料表面形貌等作用。
通过纳米压痕测试，可以揭示材料的力学特性和性能，为材料的设计和应用提供科学依据。
然而，纳米压痕测试也存在一定的局限性，需要在实际应用中加以考虑和克服。
纳米压痕的工作原理及应用
纳米压痕的工作原理及应用1. 纳米压痕的定义纳米压痕是一种实验技术，它通过在材料表面施加小型压力，然后测量压痕的尺寸和形状，从而推断材料的力学性质和表面特征。
2. 纳米压痕的工作原理纳米压痕技术基于材料的弹性和塑性行为，通过在材料表面施加小型压力，使之发生弹性和塑性形变。
测量压痕的尺寸和形状可以确定材料的硬度、弹性模量等力学性质，以及表面的粗糙度和涂层厚度等表面特征。
3. 纳米压痕的应用纳米压痕技术在各个领域有着广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：•材料科学与工程：纳米压痕可以用于研究材料的力学性能，比如硬度、弹性模量、塑性行为等，这对于材料科学和工程的研究非常重要。
此外，纳米压痕还可以用于研究材料的磨损特性、涂层的性能等。
•纳米技术：纳米压痕可以用于研究纳米材料的力学性能，比如纳米颗粒、纳米薄膜等。
纳米材料的力学性能对于纳米技术的应用非常重要，纳米压痕可以提供对纳米材料力学性能的准确测量。
•医学领域：纳米压痕可以在医学领域中应用于材料和组织的力学性质研究。
例如，可以通过纳米压痕测量人体组织的硬度，从而对组织的健康状况进行评估。
•电子学：纳米压痕可以用于研究电子器件和材料的力学性能，如半导体材料、导线材料等。
这对于电子器件的性能和可靠性的评估和优化非常重要。
•能源领域：纳米压痕可以用于研究能源材料的力学性质，如锂离子电池的电极材料、太阳能电池的表面材料等。
这对于能源材料的研究和开发具有重要意义。
•环境科学：纳米压痕可以用于研究环境材料的力学性能和耐久性。
例如，可以通过纳米压痕来评估建筑材料的抗风蚀性能、海洋材料的耐久性等。
4. 纳米压痕的发展趋势随着纳米科学和纳米技术的快速发展，纳米压痕技术也在不断改进和完善。
目前，一些新的纳米压痕技术已经出现，如纳米压痕显微镜、纳米压痕机械测试仪等。
这些新技术的出现使得纳米压痕技术在应用上更加方便和准确。
5. 总结纳米压痕是一种重要的实验技术，可以用于研究材料的力学性质和表面特征。
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。
纳米材料的力学性能研究方法与技巧
纳米材料的力学性能研究方法与技巧引言：纳米材料的力学性能研究是纳米领域中的一个重要课题。
纳米材料由于其特殊的尺寸效应和界面效应，表现出与传统材料截然不同的力学性能。
准确研究纳米材料的力学性能对于设计和制备具有特定性能的纳米材料具有重要意义。
本文将介绍纳米材料力学性能研究的方法和技巧。
一、纳米材料力学性能的测试方法1. 纳米压痕测试：纳米压痕测试是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过利用压头对材料表面进行压痕，通过测量压头在样本表面产生的形变来计算材料在纳米尺度下的力学性能参数。
纳米压痕测试可以获得材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。
2. 纳米拉伸测试：纳米拉伸测试是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过拉伸样品，测量其应变和应力，通过得到的应力-应变曲线来计算纳米材料的力学性能参数。
纳米拉伸测试可以获得材料的抗拉强度、屈服强度等性能参数。
3. 纳米压缩测试：纳米压缩测试是对纳米材料进行压缩加载，测量力与位移之间的关系，得出纳米材料的力学性能参数。
纳米压缩测试可以用于研究纳米材料的变形行为和力学性能。
二、纳米材料力学性能研究的技巧1. 选取合适的纳米材料：不同类型的纳米材料具有不同的力学性能。
在进行纳米材料力学性能研究前，需要根据具体研究目的选择合适的纳米材料。
考虑纳米材料的结构、成分以及合成方法等因素，选择具有一定代表性的样品进行力学性能测试。
2. 样品制备的标准化：样品制备对于纳米材料力学性能研究的结果具有重要影响。
因此，要确保样品制备的标准化和重复性。
在制备样品时应注意控制纳米颗粒的尺寸、形貌和分散性，避免影响力学性能测试的因素。
3. 合理选择性能测试参数：在进行纳米材料力学性能测试时，需要根据具体样品的特点和测试目的，选择合适的测试参数。
例如，在纳米压痕测试中，应根据样品的硬度范围选择合适的压头，以保证测试结果的准确性。
4. 结合理论计算与实验：纳米材料力学性能的研究需要结合理论计算与实验相结合。
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。
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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。
利用纳米压痕技术研究材料力学性能的实验方法和数据处理
利用纳米压痕技术研究材料力学性能的实验方法和数据处理纳米压痕技术是一种用于研究材料力学性能的重要实验方法，它可以通过在纳米尺度下对材料进行压痕测试，得到材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。
本文将介绍纳米压痕技术的实验方法，并讨论如何进行数据处理和分析。
一、纳米压痕实验方法纳米压痕实验通常采用纳米硬度计进行。
纳米硬度计具有一个具有知名几何形状的金刚石扣、压头、压头和试样间的距离控制装置类似恒定速率模式（法的独特设计和控制技术。
实验步骤如下：1.样品制备：将所要测试的材料制备成平整的样品。
通常可以使用机械研磨、电子抛光等方法对样品进行制备和表面处理。
2.样品安装：在纳米硬度计的测试平台上安装样品。
确保样品表面垂直于压头的运动方向，以获得准确的测试结果。
3.压痕力的选择：根据所要研究的材料的硬度，选择合适的压痕力。
通常，压痕力在几微牛到几百微牛之间。
4.压痕测试：将压头缓慢逼近试样表面，直到产生明显的弹性变形。
然后继续加大压痕力，直到达到设定的最大力值。
此过程中，纳米硬度计会实时记录压头的位置和力值。
5.压头退休：当压痕测试结束后，压头会逐渐从试样表面移开，直到与试样分离为止。
6.数据记录：在测试过程中，纳米硬度计会实时记录测试数据，包括压头的位置和力值。
这些数据可以用于后续的数据处理和分析。
二、数据处理和分析1.压头形状校正：由于压头的几何形状可能会对测试结果产生影响，因此需要对测试数据进行压头形状校正。
常见的方法是通过使用已知硬度和弹性模量的标准材料进行校正计算。
2.压痕深度测量：根据压头的位置和试样的厚度，可以计算出压痕的深度。
压痕深度与试样的硬度和弹性模量相关联，可以用于后续的力学性能参数计算和分析。
3.力位曲线分析：力位曲线是指在测试过程中纳米硬度计记录的压头位置和力值的曲线。
通过分析力位曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、塑性变形等力学性能参数。
4. 转化计算：通过引入相关的力学模型和计算公式，可以将压痕测试得到的数据转化为所研究材料的力学性能参数。
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。
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纳米压痕实验
一、实验目的
1. 了解材料微纳米力学测试系统的构造、工作原理。
2. 掌握载荷-位移曲线的分析手段。
3. 用纳米压痕方法测定电沉积镍镀层的杨氏模量与硬度。
二、实验仪器和设备
TriboIndenter 型材料微纳米力学测试系统(见附录)
三、实验原理与方法
纳米压痕技术又称深度敏感压痕技术，它通过计算机控制载荷连续变化，并在线监测压入深度。
一个完整的压痕过程包括两个步骤，即所谓的加载过程与卸载过程。
在加
载过程中，给压头施加外载荷，使之压入样品表面，随着载荷的增大，压头压入样品的深度也随之增加，当载荷达到最大值时，移除外载，样品表面会存在残留的压痕痕迹。
图1为典型的载荷-位移曲线。
从图1中可以清楚地看出，随着实验载荷的不断增大，位移不断增加，当载荷达到最大值时，位移亦达到最大值即最大压痕深
度max h ；随后卸载，位移最终回到一固定值，此时的深度叫残留压痕深度r h ，也就是压头在样品上留下的永久塑性变形。
刚度S 是实验所测得的卸载曲线开始部分的斜率，表示为
h
P S d d u
=
(1) 式中，u P 为卸载载荷。
最初人们是选取卸载曲线上部的部分实验数据进行直线拟合来获得刚度值的。
但实际上这一方法是存在问题的，因为卸载曲线是非线性的，即使是在卸载曲线的初始部分也并不是完全线性的，这样，用不同数目的实验数据进行直线拟合，得到的刚度值会有明显的差别。
因此Oliver 和Pharr 提出用幂函数规律来拟合卸载曲线，其公式如下
()m
h h A P f u -= (2)
载荷
位移
图1 典型的载荷-位移曲线
其中，A 为拟合参数，f h 为残留深度，即为r h ，指数m 为压头形状参数。
m ，A 和f h 均由最小二乘法确定。
对式(2)进行微分就可得到刚度值，即
()
1
f max u max
d d -=-==
m h h h h A m h
P S (3)
该方法所得的刚度值与所取的卸载数据多少无关，而且十分接近利用很少卸载数据进行线性拟合的结果，因此用幂函数规律拟合卸载曲线是实际可行的好方法。
接触深度c h 是指压头压入被测材料时与被压物体完全接触的深度，如图2所示。
在加
载的任一时刻都有
s c h h h += (4)
式中，h 为全部深度，s h 为压头与被测试件接触处周边材料表面的位移量。
接触周边的变形量取决于压头的几何形状，对于圆锥压头
()r s π
2
πh h h --=
(5) S
P
h h ⋅
=-2r (6) 故
S
P
h ε
s = (5a) 则
S
P
h h ε
c -= (7) 对于圆锥压头，几何常数()2ππ
2
ε-⋅=
，即0.72ε=。
同样可以算得，对于平直圆柱压头0.1ε=，对于旋转抛物线压头75.0ε=，对于Berkovich 压头建议取75.0ε=。
接触面积A 取决于压头的几何形状和接触深度。
人们常常用经验方法获取接触面积
A
图2 压头压入材料和卸载后的参数示意图
与接触深度c h 的函数关系()c h A ，常见的面积函数为
++++=4
1c 421c 3c 22c 1h C h C h C h C A (8)
式中，1C 取值为24.56，对于理想压头，面积函数为2c 56.24h A =。
2C 、3C 、4C 等拟合参数是对非理想压头的补偿。
另外，由压头几何形状可以算出压入深度h 与压痕外接圆直径d 的关系，以及压入深度
h 与压痕边长a 的关系。
对于理想Berkovich 压头d h 113.0=，h a 5.7=，以此可以作为在
实验中不同压痕之间互不影响的最小距离的参考。
纳米压痕技术测量得最多的两种材料力学性能是硬度和弹性模量。
1. 弹性模量的测量
鉴于压头并不是完全刚性的，人们引进了等效弹性模量r E ，其定义为
i
i
E v E v E 2
2r 111-+-= (9) 式中，i E 、i v 分别为压头的弹性模量(1140GPa)与泊松比(0.07)，E 、v 分别为被测材料的弹性模量与泊松比(0.3)。
等效弹性模量可由卸载曲线获得
A E h
P S h h r u π
2d d max
=
=
= (10)
故
A
S E ⋅
=
2
r π
(11)
2. 硬度的测量
硬度是指材料抵抗外物压入其表面的能力，可以表征材料的坚硬程度，反映材料抵抗局部变形的能力。
纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式
A
P
H =
(12) 式中，H 为硬度，P 为最大载荷即max P ，A 为压痕面积的投影，它是接触深度c h 的函数，不同形状压头的A 的表达式不同。
四、实验步骤
1. 制好样品，要求样品平整(提供样品者准备好)。
2. 打开仪器，进行校准。
3. 搁置样品，设定参数，进行实验，要求完成压深不同的多组实验，主要获得P-h 曲线。
4. 分析数据，计算被测材料的杨氏模量与硬度。
5. 实验完毕，关闭仪器。
6. 完成实验报告。
五、实验报告要求
本实验的数据整理及计算结果应完成以下内容：
1.计算电沉积镍镀层不同压深的硬度和弹性模量。
2.得到硬度和弹性模量随深度的变化曲线。
3.对压痕进行原位扫描，得到三维的压痕形状图。
六、预习要求
1.查阅纳米压痕的相关资料，了解其基本原理。
2.了解纳米硬度与传统硬度的差异？
七、思考题
1.对于电沉积镍镀层样品，压入的深度不同，硬度将发生什么样的变化？为什么？
2.在分析载荷-位移曲线的过程中，刚度具体是怎样计算的？
附录材料微纳米力学测试系统实物照片。