通过纳米压痕实验可以有效地研究金属表面在纳米尺度下的塑性响应。这一领域的许多研究都涉及一种塑性不稳定性或“POP-IN”现象，当钝纳米压头尖端通过位错环或特定的纳米孪晶时，这种不稳定性或“POP-IN”将在理想的原子平坦表面穿透时产生、缺陷在台阶或曲面上形核以及塑性应变材料中预先存在的位错出现移动。随着纳米压头尖端渗透到表面，二次塑性不稳定或应变爆发性发展已被广泛报道。应变爆发的大小随晶体结构、外加载荷、表面取向和温度而变化，对于潜在的缺陷产生过程仍然没有统一的解释。压痕实验的连续晶体塑性分析已经成功用于对复杂三维应力场下位错滑移和孪生认识。虽然多项结果涉及微米大小的压痕，但关于永久性压痕在纳米尺度上形成缺陷的机制，或者压痕形成与纳米压痕塑性发生的缺陷移动现象之间的联系仍不明确，为了阐明通过硬度测量评估塑性之间的对应关系，了解这些特性很有必要。
捷克共和国皮尔森西波西米亚大学的研究人员系统分析了面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和密排六方(HCP)金属从塑性开始到永久纳米压痕形成的接触塑性。探讨了在低载荷纳米压痕实验中发生的压痕形成机制。相关论文以题为“Understanding imprint formation, plastic instabilities and hardness evolutions in FCC, BCC and HCP metal surfaces”发表在Acta Materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117122
研究发现缺陷形核的接触压力Pc与杨氏模量E之间的比值提供了接触电阻作为潜在缺陷形核机制、表面取向和温度函数的基本度量。BCC(100)表面的双晶形核时的P/E高于FCC金属中部分位错形核时的P/E。然而FCC金属的(111)表面本质上比BCC金属的(110)表面更硬。P/E比值随表面取向和晶体结构的变化，揭示了表面滑移和攀移分布对缺陷形核的明显作用，以及压力敏感性可能的机制。BCC Ta和Fe的硬度和杨氏模量比值较大，其次是FCC Al HCP Mg和FCC Ni和Cu。
图1 (a-c)载荷P和杨氏模量E随穿透深度的变化；(d)Fe纳米压痕中Pc和接触响应的可变性；
（e, f）杨氏模量与压痕压力的函数关系
图2硬度p/E随接触半径a/D的变化
图3 FCC金属中的压痕形成机制和缺陷网络
图 4BCC金属中的压痕形成机制和缺陷网络
图5 HCP金属中的压痕形成机制和缺陷网络
纳米接触机制发生在早期缺陷产生的时候，在严格位移控制的尖端穿透下，该体系包括周期性的准弹性加载阶段，导致亚稳态接触结构开始出现，随后是二次塑性不稳定性。Cu和Ni表面的二次塑性不稳定性比Al表面的二次塑性不稳定性要小，这是由于Al表面的层错带较小，且位错网络的迁移率较高。这导致FCC金属的过渡阶段较短，堆垛宽度较大。在Cu和Ni中的硬度受限于在整个压痕过程中孪晶的形核，从而促进纳米压痕的形成。
在BCC和HCP金属表面，纳米压痕形成的特征是周期性的孪生过程，并产生纳米结构的亚晶排列和微晶。永久纳米压痕的产生是由位错堆积、纳米孪晶、压痕的纳米结构区域、微晶形成、表面螺型位错交滑移和交叉扭转以及发生缺陷再活化所决定的。本文对理解压痕尺寸效应具有一定意义，其中纳米级硬度值的变化与在大应变梯度下的独特压痕形成机制有关。（文：破风）
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