近代物理所纳米压痕测试研究取得进展

近日，中国科学院近代物理研究所材料研究中心在纳米压痕测试方面取得新进展。研究发现，在进行纳米压痕测试时，使用不同的伯克维奇压头会导致试验结果不一致（除熔融石英外），并分析了造成这种情况的原因。相关研究成果发表在《材料研究与技术杂志》（Journal of Materials Research and Technology）上。    

纳米压痕测试是高精度仪器化压入试验技术，具有无损测试和试验简单等优点。然而，即使经过压头面积函数校准，使用不同的伯克维奇压头进行测试仍会产生不一致的结果，这使得准确测试材料硬度以及比较来自不同实验室的数据变得困难。     

研究发现，导致试验结果不一致的主要原因在于压头尖端的缺陷和压痕尺寸效应。伯克维奇压头在加工过程中会产生尖端缺陷，且在使用过程中发生磨损。     

为了量化压头尖端的缺陷和压痕尺寸效应对试验结果的影响，科研人员利用压头面积函数建立了压头的有限元模型，并提出了校正纳米压痕载荷-位移曲线尺寸效应的方法。研究表明，压头尖端缺陷对试验结果的直接影响较小，而不同的压头尖端缺陷通过影响压痕尺寸效应造成了试验结果不一致的现象。     

该研究提出的纳米压痕试验载荷-位移曲线压痕尺寸效应的校正方法和压头建模方法，可用于反向有限元计算测试材料的本构关系。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。     

图1. 伯克维奇压头原子力显微镜等高线云图

图2. 使用1号和2号伯克维奇压头测试熔融石英和A508-3钢的试验曲线