纳米压痕与显微硬度压痕的区别

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纳米压痕与显微硬度压痕的区别

Nanomechanics, Inc.  应用工程部

纳米压痕和显微硬度压痕检测上有一些区别，但在知道压痕探针的几何尺寸并且探针在压入材料时候产生类似的应变场的前提下（例如维式硬度压头和Berkovich压头）, 用户可以实现比较同一材料在两个设备上检测的结果。在检测材料的弹性模量大于0.5 GPa 情况下，Nanomechanics,Inc. 公司建议使用Berkovich 压头来测试。 Berkovich压头是既维氏硬度压头之后用来做显微硬度压痕检测的常用压头。两种压头拥有相同的随着压入材料深度变化的投影接触面积。 两者区别在于维氏硬度压头是正四方形角锥体，Berkovich压头是正三角形锥体。 Berkovich压头的尖端比维氏硬度的压头尖端更尖（Berkovich 压头最小半径可达20nm）。

                     

图1.维氏硬度压头（左）和Berkovich 压头                （右）在材料上产生的的残余压痕

两种形状的压头在测试过程中可以在材料内部产生8% 左右的应变， 用两种压头测试的材料硬度值具有直接可比性。尽管如此，用户需要仔细，正确的将显微硬度压痕的硬度检测结果转换成维氏硬度。 定义上讲，显微硬度压痕的硬度测试与纳米压痕的硬度测试在概念上有一个转换。 尽管两种硬度测试结果都通过最大力(PeakForce)和接触面积 (Contact Area)的比值来计算（参见公式1，两种测试技术对于接触面积的定义却有区别

Hardness = (Peak Force)/(Contact Area)(1)

对于显微硬度压痕来说，公式（1）中的接触面积定义为压头在测试过程中真实接触材料的面积； 而对于纳米压痕来说，公式（1）中的接触面积的定义则为检测过程中的压头在测试样本上的投影接触面积。纳米压痕测试中，硬度值被定义为平均接触压力。

想要比较两种测试技术下的检测结果，测量值必须转换成常用的相同定义。下面，维氏硬度测试结果的定义被转换成平均接触压力，同纳米压痕硬度测试相同的定义。

使用公式（1）中的硬度定义，并且使用维氏硬度压头的几何尺寸和显微硬度压痕测试的接触面积定义可以得到公式（2）

VH = 2P/d2 sin (136°/2)  (2)

P 为力，单位为kgf， d 为残余压痕的对角线长度，单位为mm。

如果使用纳米压痕技术检测，维氏硬度定义为平均接触压力，那么使用维氏压头得到的硬度检测结果为

H =2P/d2   (3)

用公式（3）中的平均接触压力来代替公式（2）中的值，平均接触压力和维氏硬度的转换可为：

VH =H sin(136°/2) = 0.9272 H          (4)

平均接触压力的单位是kgf/mm^2，一般来说，纳米压痕的测试结果单位以MPa和GPa显示，转换单位可以表示为公式(5)

VH =0.0945 H (5)

平均接触压力的单位是MPa，维氏硬度的单位为kgf/mm^2

图2.Nanomechanics, Inc. 美国纳米力公司纳米压痕设备iMicro

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我们有一台美国HYSTRON公司生产的 TRIBOINDENTER纳米压痕仪。