纳米力学性能测试系统

FT-NMT04纳米力学性能测试系统是一种多功能的原位扫描电镜/光纤纳米压头，能够准确量化材料在微观和纳米尺度上的力学行为。

FT-NMT04纳米力学性能测试系统基于Femtotools微电子机械系统（MEMS）技术，这种原位纳米压头具有无与lun比的分辨率、重复性和动态响应。 FT-NMT04原位纳米压头用于金属、陶瓷、薄膜以及超材料和MEMS等微观结构的力学测试。此外，通过使用各种附件，FT-NMT04的性能可以扩展到各个研究领域的通用要求。典型的应用包括通过对微孔的压缩试验或对骨标本、薄膜或纳米线的拉伸试验来量化塑性变形机制。此外，压缩试验过程中的连续刚度测量可以量化微梁断裂试验过程中的裂纹扩展和断裂韧性。由于500 pn和50 pm的低噪声，FT-NMT04浅纳米压痕具有很好的重复性，以及纳米压痕与EBSD映射的相关性。

二、 功能

l 主要功能

FT-MNT04原位SEM纳米压痕仪，可以做纳米压痕、微柱压缩测试、微悬臂梁断裂测试、为拉伸测试、STEM/EBSD相关的原位纳米机械测试。其中纳米压痕功能可以进行低体积材料硬度和杨氏模量的测定、定 接触力学和动力响应的量化、多轴应力下变形机理的表征；微柱压缩测试功能可以进行滑动系统临界剪切应力的测定、单轴应力下变形机理的表征、延伸损伤和局部应变量化；微悬臂断裂测试功能可以进行亚微米断裂韧性连续J积分、单调循环断裂行为的表征、单个裂纹产生和扩展的量化。微拉伸测试功能可以进行屈服应力、极限拉伸应力和断裂伸长的测定、单调循环载荷下断裂的表征、局部应变效应和裂纹扩展的量化；STEM/EBSD相关的原位纳米机械测试功能可以进行局部应变的定量研究、相变的定量研究、纹理演化的定量研究、位错动力学定量研究、晶界迁移的定量研究 。

l 技术特点

纳米压痕、压缩、张力、断裂和疲劳试验

无需复合、动态校准即可进行连续硬度测量或疲劳测试

高温测试温度可达400℃ 

压头面积函数和框架合规性的简单确定

功率数据分析工具，用于评估测量结果和拟合功能计算材料性能

可快速安装和移除SEM腔室

紧凑，模块化的设计能够集成到几乎所有的扫描电镜中

可定制测量程序

l 技术能力

力感测

-力范围：~200 mN

-力噪声：0.5 nN（10 Hz时）

-测量频率高达96 kHz

位移传感（粗）

-位移范围：21 mm

-位移噪声：1nm（10Hz）

-测量频率：50Hz

位移传感（精细）

-位移范围：25μm

-位移噪声：0.05nm（10Hz）

-测量频率高达96 kHz

3、4和5轴力传感器与样品对准

-X、Y、Z闭环定位范围：21mm x 12mm x 12 mm

-X、Y、Z闭环定位噪声：1nm

-样品倾斜范围：90°

-样品旋转范围：360°(FT-NMT04-XYZ-R)，180°(FT-NMT04-XYZ-RT)

-样品角噪声：35微度 

应用

l 微柱压缩

原位扫描电镜微柱压缩试验提供了一种测量低体积材料单轴力学响应的方法，并直接将应力应变数据与单个变形关联起来。它能够量化具体的阶段和颗粒，或研究尺寸效应，测量系统的关键要求是高负载和位移分辨率，以及快速的数据采集率。

利用扫描电镜（SEM）和电子束衍射（EBSD）技术。在压缩过程中，在屈服和塑性之前的初始加载阶段观察到线性弹性。在塑性状态下，锯齿状塑性流动行为伴随着应力骤降和再加载周期，通常是位错滑移的特征。该系统的一个关键要求是真正的位移控制。结合超低负荷噪声地板，可以对更小的应力降进行统计分析，能够对位错和各种晶格缺陷之间相互作用的性质有新的认识。 

l 微悬臂断裂试验

断裂韧性是大多数工程应用中的一个关键性能。采用微悬臂梁弯曲试验进行小尺度断裂试验是确定低体积材料断裂韧性的关键。此外，这些试验为量化特定微观结构特征对材料整体抗裂性提供了重要的信息。对于脆性断裂，断裂韧性由大载荷下的应力强度因子k确定。对于弹塑性断裂，需要另一种方法。通常，弹塑性断裂力学采用J积分分析裂纹扩展阻力曲线（J-R曲线）和弹塑性断裂韧性（JIC）。通常情况下，较高的KIC、JIC或更陡的J-R曲线表明材料具有更高的抗断裂性。使用连续刚度测量（CSM）进行的微悬臂弯曲试验既能监测裂纹长度的演变，也能从定期卸载分段计算连续J积分。

l 微拉伸试验 

大型拉伸试验是一种常用的量化材料弹性模量、屈服强度、极限强度和断裂强度的试验。 为了量化单相或界面的特性，需要进行微观拉伸试验。 FIB可用于将硅力传感探头的jian端加工成夹具的形状，这种夹持器的形状能够夹持狗骨样本，以便进行微拉伸试验。测量全应力应变曲线的一个关键试验要求是位移控制试验。

l 机械测试与STEM/EBSD相关联

FT-NMT04不仅将材料的应力应变响应研究与表面分析相结合，同时与EBSD、TKD和STEM特性相结合，对相变和位错动力学进行了前所wei有的定量研究。微拉伸试验、支柱压缩和悬臂弯曲与EBSD相联，能够监测和量化动态相变和应变。

l 连续刚度测量（CSM）

标准纳米压痕在卸载开始时候提供测量数据，但是连续刚度测量（CSM）可以记录硬度和弹性模量，作为压头穿透深度的函数。FT-NMT04具有高载荷和位移分辨率的CSM纳米压痕，能够量化从浅穿透过程中塑性开始到主体材料的机械响应。此外，FT-NMT04系统的扩展谐波频率范围（高达500Hz），加上快速的数据采集率，适用于粘弹性和粘塑性的定量动态力学分析。

 相关文献

1. X. Zhao, D.J. Strickland, P.M. Derlet, M.R. He, Y.J. Cheng, J. Pu, K. Hattar, and D.S. Gianola. “In situ measurements of a homogeneous to heterogeneous transition in the plastic response of ion-irradiated ≤111≥ Ni microspecimens." Acta Materialia, 2015

2. Technique based on: Ast J., Merle B., Durst K., Göken M. “Fracture toughness evaluation of NiAl single crystals by microcantilevers - A new continuous J-integral method" (2016) Journal of Materials Research, 31 (23), pp. 3786-3794.d ≤111≥ Ni microspecimens." Acta Materialia, 2015

3. Z. Fu, L. Jiang, J. L. Wardini, B. E. MacDonald, H. Wen, W. Xiong, D. Zhang, Y. Zhou, T. J. Rupert, W. Chen, E. J. Lavernia, “A high-entropy alloy with hierarchical nanoprecipitatesand ultrahigh strength." Science Advances, 2018