用于统计和空间特性测定的高通量纳米压痕

纳米压痕已被证明是探索小长度尺度下力学行为的有力工具。这是因为该技术是高度本地化的，只有半破坏性，同时允许提取包括弹性、塑性和断裂在内的一系列不同属性。此外，样品制备要求比大多数其他机械测试技术明显不那么严格，程序也很完善。^{1 - 5}

然而，标准的纳米压痕测试需要几分钟的每次测试任务，如定位合适的区域，样品接近，漂移校正，尖端的收缩。这使得某些应用程序，例如通过缩进网格进bob平台靠谱吗行属性映射^6、7或者生成统计数据集，非常耗时，在某些情况下，速度太慢，不实际。近年来，各种技术的发展大大加快了纳米压痕测试的速度，最先进的速度可达每秒6个压痕，比标准准静态测试至少提高了两个数量级。这意味着10000张缩进图可以在不到一个小时的时间内完成，这将生成一个100 x 100µm, 1-µm间距的属性图。速度、分辨率、扫描尺寸和样品制备要求可与各种SEM映射技术相媲美，如电子背向散射衍射(EBSD)和能量色散光谱法(EDS)。它们还提供了高度互补的信息，这意味着对它们的晶体学、化学和机械性能的微观结构特征的相关测量为研究人员提供了一个强大的工具。除此之外，统计压痕技术允许用户快速确定显著性参数，筛选材料，并从高度本地化的纳米压痕测试中识别更多的全球趋势。⁸

此外，统计数据集有助于对抗产生数据异常值的因素，如表面粗糙度、^{9 - 12}这对精确的纳米压痕测试是一个障碍。最后，这些技术还可以应用于具有环境控制的系统，如加热、控制湿度，甚至水下标本，提供了额外的变量来探索。迄今为止，硬度映射已被用于探索各种材料的空间变化，包括水泥膏体、¹³具体的,¹⁴牙釉质,¹⁵金属基复合材料，^{6、7、15、16}金属间化合物,¹⁷金属合金,^6、18、19与木材胶粘剂粘结。^20.然而，正确地进行高速纳米压痕并解释其结果需要考虑各种因素，如压痕间距、应变速率效应和压痕深度。

此外，由于载荷函数选择的限制，目前只能用于测量硬度和弹性模量。因此，高速压痕不是标准压痕技术的替代品。相反，所提倡的方法是标准压痕的补充技术，标准测试协议允许人们评估压痕大小的影响，^研讨会率的依赖,²⁴还有间距效应。这里，在介绍强调属性映射技术的示例应用程序数据之前，我们将首先回顾这些关键概念。

在绘制表面属性时，平面内空间分辨率是首要考虑的问题;然而，定义这需要考虑压痕应力场的全三维形状或被测材料的体积。由于应力场作为与接触区距离的函数连续衰减，边界只能由特定的应力或应变值来定义。最重要的是细分成纯弹性²⁵和一个弹塑性区域，其边界由材料的屈服准则确定，²⁶如图1所示。因此，整个弹性区对模量的测量有贡献，而只有弹塑性区对硬度H的测量有贡献。就定义压痕分辨率的更实际的定义而言，可以定义接近某个特征的可接受的属性相对变化，例如微观结构边界或先前的压痕。

一些压头的几何形状可以被描述为自相似，这只是一个尖端形状，接触面积与深度与负载的比例恒定。这一特性是由常见的金字塔压头，包括贝氏和立方体角，以及锥形尖端，并意味着测量的性能将不会改变作为压痕负载的函数。值得注意的是，球形尖端是个例外。因此，对于自相似压头，所有重要的几何参数都可以表示为接触半径的函数，a。接触半径被定义为一个估计等效面积的圆的半径与实际接触的圆的半径，因此允许锥体探针用与球形和锥形探针相同的参数来描述。

关于缩进间距的问题，有几个影响。如果第二个压痕与前一个压痕的残余压痕或堆积重叠，这显然使半无限半空间假设失效，实际接触半径将显著偏离假设值。更微妙的是塑料区域的重叠，它们进一步延伸到测试平面的次表面。残余的塑性区可以被认为是冷加工的，因此硬度提高，但塑性成核缺陷的精确相互作用也可以通过提供位错源产生软化效果。塑性区半径，R_p，与接触半径的关系是材料特定的，因为塑性机制的差异。对于金属来说，这个比率可以从3a到6a。^-对于曲率半径为50nm的尖锐Berkovich尖端，可靠的硬度测量可以在至少15 nm的深度处获得，如图1所示(注意三个尖端在整个深度范围内的模量是恒定的)。这对应于57纳米的最大接触半径，因此需要315纳米的压痕间距R_p~ 6。这种情况在立方体角有更陡峭的接触半径到深度比0.7的情况下得到改善，而在伯科维奇角是3.5。由于这些尖端是自相似的，塑性区大小与接触半径成正比，并且减少了大约5倍。如前所述，确切的塑性区大小取决于给定的尖端-材料-深度组合，因此需要通过实验评估来精确确定该尺寸。这可以通过两个案例研究来说明:(1)一个缩进对相邻缩进的影响;(2)靠近一个缩进的接口的影响。

为了说明这一效应，用Berkovich尖端测试的Al样品上的压痕间距d是不同的，如图2a所示。有趣的是，降低d会导致相应的硬度降低，而不是像加工硬化所预期的那样增加。此外，塑性区重叠对模量没有影响。因此，在较小的d值处对模量的影响表明，由于堆积，面积函数失效。这个受堆积影响的区域开始于d= 750 nm，略小于5.6倍接触半径的建议距离，或840 nm的最大位移为50 nm。显然，横向分辨率和硬度测量精度之间存在权衡，因为在更小的深度使用更锋利的尖端会减少弹塑性区。另外一种折衷方法是完全牺牲硬度测量，将测试限制在纯弹性状态下。由于没有塑性区和残余位移，因此在纯弹性压痕中没有堆积，使得各个压痕之间的接触半径重叠。

样品界面的作用，重要的高分辨率映射的成分和相变化的材料，是通过映射与金属陶瓷横断面样品说明。这里，压痕被放置在样品的材料界面附近，具体来说，一个750纳米宽的Ti层夹在两个极其坚硬的(H~ 25 GPa) Ti-N层。使用原位SPM成像，将压头小心地放置在Ti层的中心。图2b显示了硬度和模量随深度的变化曲线，其中Ti的正确硬度和模量值仅在15 - 30纳米深度测量。在较大的深度，压痕应力场与TiN层的相互作用增加，导致模量和硬度值增加。在一些映射场景中，用预定的间距生成压痕网格，将压痕放置在样品中相边界或界面的不同距离上或顶部。如果塑性机制受到边界存在的影响，例如提供缺陷源、汇聚和障碍，这可能会产生测量误差。在分析过程中，通常可以通过检查被测特性的统计分布和去除异常值来过滤这些数据点。这些边界效应可以改变用于映射的理想缩进间距。因此，建议检查样本边界附近的效果，以确定最佳间距值。

总结本节，纳米压痕分辨率的可达到极限很大程度上取决于尖端形状、被测试材料，以及最关键的变形状态。继Jakes等人之后，^30、31日可以定义三个无量纲参数来控制缩进分辨率:接触面积相对于一个特征的距离√A / d，以及两个与材料相关的参数E/H比和泊松比。我们可以使用这些参数定义与d相对的最大模量或硬度变化。因此，在弹性状态下，在最低的压痕深度处可以得到最小的d值。然而，如果需要测量硬度，则有必要在弹塑性状态下进行测试，并且必须在硬度精度和横向分辨率之间选择一种平衡。

在接下来的几个例子中，突出了最先进的高速纳米压痕的能力。下面的示例都是使用Hysitron ti980摩擦压头(bob电竞安全吗Bruker Nano surface, Minneapolis, MN, USA)在加速属性映射(XPM)模式。

高温纳米压痕是反应堆、发动机、涡轮等领域的一个不断发展的研究领域。一种流行的高温材料，SiC基体和SiC纤维复合材料，在高温下用5 μ m压痕间距，7 mn负载和Berkovich尖端进行了评价。纤维和基体之间的硬度差异是明显的，沿界面有一个低硬度区域(图4)。这可能是由于沿纤维/基体界面的自由体积，通过减少材料限制降低了硬度。400℃时，硬度和模量呈双峰分布，分别对应于纤维和基体。当温度升高到800℃时，模量值总体上轻微下降，如预期的那样，但保持双峰分布。这两次测量是在样品的不同区域进行的，因此两相的总计数的变化是不同的。更有趣的是，在800°C时，观察到硬度分布转向单峰值分布。

低温是受外太空、北极或冬季环境和部分冷却系统等条件影响的材料的兴趣点。一种普遍存在的结构合金，1018钢，在室温至-120°C的条件下进行了研究。当压痕间距为1 μ m，峰值负载为500 μ N时，用Berkovich尖端生成0°C硬度图，可以清晰地看到铁素体和珠光体两相显微组织，其硬度分布也反映在图5中。压痕进入铁素体相作为降低温度扫描的一部分，得到的载荷位移曲线表明在-58℃时从韧性过渡到脆性。在这里，上述温度下的均匀位错塑性让位给锯齿状流动，表明位错爆发。由于铁氧体是BCC，与FCC金属相比，培尔斯势垒相对较大，因此依赖热辅助来实现均匀塑性。

这也反映在硬度上，在测试温度范围内增加了44%。这种降低温度的硬化也与韧性到脆性的温度转变有关。当观察压痕曲线的弹出行为时，这种转变更为明显。⁴⁴室温行为主要是一个平滑的曲线或非常短的弹出框来近似一个主要平滑的曲线。随着温度的降低，随着弹入尺寸的增大，流动变得更加随机。在-15°C和-25°C曲线之间似乎有一个过渡。这个DBTT低于夏比冲击测试中通常报告的5°C值，这是一个更高的应变率。

高速纳米压痕技术通过缩短接触时间，在极端非环境温度下工作时提供了优势，这减少了尖端磨损和相对漂移的影响。尖端样品热平衡是极端温度测试的最大挑战之一，因为它在接触时会产生漂移。本文的低温高温段采用了多元件加热微室⁴⁵这将尖端和样本暴露在相同的环境中。然而，它已经被证明了^46、47在真空中的热稳定是费时和困难的。将典型的接触时间从20秒减少到0.2秒，将漂移对测量的影响降低了两个数量级。这种接触时间的缩短也显著减少了尖端磨损，这是高温测试的一个主要问题。⁴⁸尖端样品接触可以在热力软件(如Thermal Calc)中建模为高压扩散偶。只需减少接触时间，就可以对给定尖端/样品组合下的压痕数量产生显著影响。

与迄今为止测试的异质样品相比，纳米压痕通常是在相对均匀的样品上进行的，如箔、衬底上的薄膜和衬底本身。即使是在样本平面上具有较大维数的分层样本，也可以认为是局部均匀的。在这些情况下，统计数据允许生成大型数据集，其中可以确定精确的值，数据直方图允许识别统计异常值。这可以与典型纳米压痕研究中运行的测试数量进行比较，其中n很多情况下≤10。可以做一个简单的实验，比较振动抛光(100)铝和用600砂纸抛光的铝的硬度和模量的统计分布。9个压痕的阵列，3 × 3，压痕之间的间距为15 μ m，放置在一个更大的5 × 5阵列中(图6)。

缩进的总数现在是n= 225每个样品，这是比大多数纳米压痕研究大20倍的测试数量的因素。叠加校正模量和硬度直方图(图7)显示了粗糙度/加工硬化样品的硬度增加和相应的数据扩展的增加。结合统计分析和绘图对比铁路钢焊接接头的高速纳米压痕，可以与传统的维氏显微硬度测试相比较。^49-51在这里，在5-mN负载和Berkovich压头的高速纳米压痕下产生的196个压痕网格与从焊缝开始逐渐通过热影响区移动的单个维克斯压痕进行了线扫描，使用经验关系来比较硬度。⁵²纳米压痕的网格与单次显微硬度测试的区域大致相同(图8)。在这种情况下，会遇到各种显微组织，从焊缝附近富含马氏体的区域逐渐过渡到贝氏体，最后是铁素体。可以观察到，虽然高速纳米压痕网格的平均值与微压痕网格的硬度-距离曲线具有相似性，但由于微观结构的变化，网格具有散射带。例如，在焊缝附近扩展增加，因为马氏体在晶界周围聚集成岛状，而贝氏体和铁素体则表现出较好的分散组织。在这些区域，研究人员可以考虑转向更多的映射而不是统计抽样类型的实验。

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