纳米压痕实验报告

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1、WORD文档可编辑纳米压痕实验报告姓名：张永钦学号：15120982专业：力学班级：15-01技术资料专业分享WORD文档可编辑一、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三、实验原理与方法载荷位移卸载曲线加载曲线图1典型的载荷-位移曲线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

2、，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；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，也就是压头在样品上留下的永久塑性变形。刚度是实验所测得的卸载曲线开始部分的斜率，表示为(1)式中，为卸载载荷。最初人们是选取

3、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(2)其中，为拟合参数，为残留深度，即为，指数为压头形状参数。，和均由最小二乘法确定。对式(2)进行微分就可得到刚度值，即技术资料专业分享WORD文档可编辑(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

4、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。在加卸载后的材料表面最大压力下的材料表面aPhrhch(hmax)hs原始表面图2压头压入材料和卸载后的参数示意图载的任一时刻都有(4)式中，为全部深度，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(5)(6)故(5a)则(7)对于圆锥压头，几何常数，即。同样可以算得，对于平直圆柱压头，对于旋转抛物线压头，

5、对于Berkovich压头建议取。接触面积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与接触深度的函数关系，常见的面积函数为(8)技术资料专业分享WORD文档可编辑式中，取值为24.56，对于理想压头，面积函数为。、、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与压痕外接圆直径的关系，以及压入深度与压痕边长的关系。对于理想Berkovich压头，，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

6、.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，其定义为(9)式中，、分别为压头的弹性模量(1140GPa)与泊松比(0.07)，、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(10)故(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(12)式中，为硬度，为最大载荷即，为压痕面积的投影，它是接触深度的函数，不同形状压头的的表达式不同。四、实验步骤1.制好样品，要求

7、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、实验报告要求技术资料专业分享WORD文档可编辑本实验的数据整理及计算结果应完成以下内容：1.计算铁电多晶材料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。压深硬度弹性模量221.692nm16.574802GPa216.103746GPa225.011nm16.1

8、11591GPa229.884787GPa217.981nm17.170289GPa250.906759GPa237.745nm14.436472GPa217.21908GPa224.285nm16.193199GPa206.205216GPa230.535nm15.324210GPa266.060933GPa227.329nm15.762256GPa226.234195GPa236.093nm14.615865GPa224.