纳米压痕仪NHT3产品信息

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3 NHT Nanoindentation Tester

NHT纳米压痕测试仪

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NHT桌式纳米压痕测试仪 3

NHTNanoindentation Tester

安东帕的多功能压痕仪的载荷范围最大，精确得到薄膜、涂层或基体的机械特性，例如硬度和弹性模量。仪器可以测试几乎所有材料，无论是软的、硬的、易碎的还是可延展的材料。也可以在纳米尺度上对材料的蠕变、疲劳和应力 - 应变进行研究。

1.测量原理

纳米压入测试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。

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NHT纳米压痕测试仪

载荷 加载曲线

卸载曲线 Pmax S hr hmax 位移

图1 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hmax；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hr，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

S?dPu (1) dh

式中，Pu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

Pu?A?h?hf? (2)

m

其中，A为拟合参数，hf为残留深度，即为hr，指数m为压头形状参数。m，A和hf均由最小二乘法确定。对式(2)进行微分就可得到刚度值，即

S?dPudh?mA?hmax?hf?h?hmaxm?1 (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hc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

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载的任一时刻都有

(hmax) h hc hs 卸载后的 材料表面 P 原始表面 a hr 最大压力下 的材料表面 图2 压头压入材料和卸载后的参数示意图

h?hc?hs (4)

式中，h为全部深度，hs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

hs?π?2?h?hr? (5) πP (6) Sh?hr?2?故

hs?ε则

P (5a) Shc?h?ε对于圆锥压头，几何常数ε?P (7) S2??π?2?，即ε?0.72。同样可以算得，对于平直圆柱压头ε?1.0，对于π旋转抛物线压头ε?0.75，对于Berkovich压头建议取ε?0.75。

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与接触深度hc的函数关系A?hc?，常见的面积函数为

1214A?C1hc2?C2hc?C3hc?C4hc?? (8)

式中，C1取值为24.56，对于理想压头，面积函数为A?24.56hc2。C2、C3、C4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

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边长a的关系。对于理想Berkovich压头h?0.113d，a?7.5h，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。 A） 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Er，其定义为

11?v21?vi?? (9) ErEEi2式中，Ei、vi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

S?dPudh?h?hmax2πErA (10)

故

Er??2?SA (11)

B） 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

H?P (12) A式中，H为硬度，P为最大载荷即Pmax，A为压痕残留面积的投影，它是接触深度hc的函数，不同形状压头的A的表达式不同。

2.技术特点

2.1最简单易用的纳米压痕测试仪

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最直观易用的软件：用简单的参数（最大载荷）、统计数据分析和保存的测试模板轻松开始测试 适用于表面的不同放大倍数的多物镜视频显微镜

最坚固耐用的纳米压痕测试仪：参比环保护压痕针尖不受碰撞

2.2快速点阵”压痕模式带“模板”模式

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快速且符合要求：按照仪器化压入测试 (IIT) 的 ISO14577 标准要求，“快速点阵”压痕模式每小时测试压痕数目高达 600个

全新“模板”模式让您可以用导出的数据创建一个自定义模板，从而更灵活快速的分析数据

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? 多样品台夹具用于自动测试，6 样品夹具最多可固定 6 个样品，自定义样品夹具可固定更多样品

NHT纳米压痕测试仪

2.3 采用独特的表面参比设计，保证高精度的位移测量

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表面参比为材料压入位移提供恒定参考（相对于样品表面）

高载荷框架刚度 (107 N/m) 为纳米压痕测量提供高准确度和精确度

2.4 测量的高稳定性

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采用主动表面参比技术来实现纳米压痕测量中的高热稳定性（原始热漂移率 <0.05 nm/s） 框架使用定制的人造花岗岩来提高稳定性 采用低热膨胀系数 (10-6/°C) Macor材料的独特设计保证高热稳定性 法向力反馈控制

利用差分电容测量压痕位移

2.5 可用于多种分析模式的多种测试模式

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多种测试模式：正弦模式、连续周期 (CMC)、恒定应变速率、用户自定义、高级点阵和多样品方案、载荷和位移控制模式

各种机械性能的多种分析模式：硬度 (HIT、HV、HM)、弹性模量、储能和损耗模量、蠕变、应力 - 应变曲线

使用标准压痕针尖可在液体环境下进行测量