由于缺少专门的仪器，纳米尺度的疲劳行为过去很少被研究。......
2023-06-20
纳米压痕仪的结构分析
【摘要】：图6-19为一个商品化的纳米压痕仪及其工作原理。目前，各种商业应用的纳米压痕仪原理基本相同，它们的差别主要表现在力的加载方式和位移的测量方式上。图6-19压痕仪的结构及内部结构根据前面的介绍，目前的纳米压痕仪的工作模式有两种：普通模式和连续刚性测量模式。压头在纳米压痕仪中是一个重要的部件，测试时需要选择合适的压头。是纳米压痕试验另一个常用的压头。球形压头的初始接触应力小，仅产生弹性变形。
图6-19为一个商品化的纳米压痕仪及其工作原理。大致由机械部分、观察装置和数据记录装置组成。压痕仪的机械部分主要由以下三部分组成：一个特定形状的压头，它被固定在可以加载的刚性框架上；一个提供动力的制动器以及一个位移感应器。具体结构如图6-19（b）所示，由压头（压针，如B所示）、载荷控制线圈（如C所示）、支撑弹簧（如D所示）、载荷和位移传感器（如E所示）、电压驱动器以及控制电路和计算机组成。编好的程序通过振荡器将控制信号传给载荷控制线圈C，载荷控制线圈C、压头（压针）B、支撑弹簧D和电容式传感器E实现反复的加、卸载。其中，载荷可通过计量作用在电磁线圈上的电信号得到，位移由差动电容式传感器E得到，两种信号通过放大器和位移传感器反馈到计算机中。目前，各种商业应用的纳米压痕仪原理基本相同，它们的差别主要表现在力的加载方式和位移的测量方式上。力的加载方式主要有：①电磁加载，压头的驱动基于载流线圈在磁场中的受力原理；②静电加载，通过由可动机板和固定极板组成的电容器来提供静电力；③压电加载，力的大小通过施加在制动器（由压电陶瓷制成）上的电压或电流控制。位移测量主要采用电容传感器和LVDT（linearly variable differential transformer）、激光干涉仪等。在实际中，位移传感器测量的位移包含了仪器本身的变形，因此，必须对仪器的刚度进行仔细的校准，然后从测量的位移中减去仪器本身的变形量。许多纳米压痕试验的试验装置都配备自动化样品台，因此，样品能被自动的定位，其定位精度一般为微米级。
图6-19 压痕仪的结构及内部结构
根据前面的介绍，目前的纳米压痕仪的工作模式有两种：普通模式（base）和连续刚性测量模式（CSM）。采用普通模式，一次加卸载循环只能测定对应于最大载荷或最大压痕深处的一个硬度和弹性模量；CSM模式能在加载过程中连续测量接触刚度，从而得到硬度和弹性模量随压痕深度变化的曲线，比较适合于薄膜样品，可以明确知道单层及多层薄膜的力学性能以及在压痕多深处开始受到基底的影响。
压头在纳米压痕仪中是一个重要的部件，测试时需要选择合适的压头（包括压头的材料和形状，见图6-20）。压头材料最常用的是金刚石，因为它的硬度高，压痕模量小，受力时自身位移变化小。其他材料，如蓝宝石、碳化钨、淬火钢等也可用作压头材料，但在分析载荷—位移数据时必须扣除压头的弹性变形。压头的形状主要有棱锥形（如韦氏、玻氏和立方角）和光滑旋转体（如圆锥和球形等）两大类。
图6-20 各种压头的几何形状
（a）球型压头（spherical indenter） （b）尖压头（sharp indenter） （c）平头柱状压头（flat cylindrical indenter）（d）玻氏压头（Berkovich indenter） （e）韦氏压头（Vicker indenter） （f）立方角压头（cube corener indenter） （g）楔形压头（wedge indenter）
（1）韦氏压头在显微硬度中比较常用，但压头顶端的楔边将会导致在不同尺度下压头几何形状不能自相似。随着压痕深度的减小，楔边引入的误差会逐步增大。为克服该现象，设计了三棱锥体并与韦氏压头有相同面积—深度关系的玻氏压头。
（2）玻氏压头纳米压痕试验中最常用的压头是玻氏（Berkovich）压头，它是一个正三棱锥，棱与棱之间的夹角为76°54′，这样该压头所获得的压痕深度与显微硬度计中的维氏压头在同一负荷下所得的压痕深度相同，既两者有相同的面积函数（压头面积函数是压头的接触面积与压痕深度的数学关系式）。它可以加工得很尖，而且几何形状在很小尺度内保持自相似，适合于小尺度的压痕实验。玻氏的优点在于：易获得好的加工质量，很小载荷就能产生塑性，能减小摩擦的影响，能和韦氏压头的结果直接对比。
玻氏压头又分为通用玻氏压头和修正玻氏压头。玻氏压头被设计成在任一压痕深度具有同维氏压头相同的表面积，而修正玻氏压头设计思想是在任意给定压痕深度都具有与维氏压头相同的投影表面积。
（3）Cube-corner压头因其三个面相互垂直，像立方体的一个角，故取此名称。压头越尖，就会在接触区内产生理想的应力和应变。目前，该种压头主要用于断裂韧性（fracture toughness）的研究。它能在脆性材料的压痕周围产生很小的规则裂纹，这样的裂纹能在相当小的范围内用来估计断裂韧性。是纳米压痕试验另一个常用的压头。
（4）球形压头球形压头的接触不同于棱锥体的韦氏和玻氏压头接触的应力—应变场。球形压头的初始接触应力小，仅产生弹性变形。当球形压头压入表面后，弹性变形开始向塑性变形发展。理论上可以用来确定屈服应力和加工硬化，并可以从单个压痕实验数据中再现整个单轴应力应变曲线。这在较大半径的球形压头中得到了成功的应用。在微米尺度，由于难以获得高质量的金刚石球形压头，使用受到限制。
（5）锥形压头圆锥具有尖的自相似几何形状，从模型角度常利用它的轴对称特性，纳米压痕硬度的许多模型均基于圆锥压痕。由于难以加工出尖的圆锥金刚石压头，它在小尺度实验中很少使用。各种压头的参数列在表6-1中，其中，h为压痕深度，R为球状压头的接触半径hc为接触深度。
表6-1 各种压头及其参数
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