纳米压痕在块体固体中引起的应变硬化-软化振荡

纳米压痕是一种广泛用于灵敏探索微机电系统力学性质的方法。我们推导出了一种经验分析技术，用于从纳米压痕测量中提取应力-应变场梯度和散度表征。通过这种方法，可以发现局部梯度和非均匀性，从而获得关于样品微结构的更多细节，进而增强纳米压痕技术的分析能力。我们分析了块体固体基体（即轴承钢和工具钢）以及熔融石英的纳米压痕测试。揭示了纳米压痕实验在亚表面层中引起的应力-应变场梯度和散度的振荡现象。这些振荡在低压痕深度（< 100 nm）的单次测量中尤为显著，而在平均数据集中则被掩盖。当压头逼近更深的原子层时，应力-应变场散度振荡的振幅以亚线性幂律衰减，钢的指数为 -0.9，熔融石英为 -0.8。这些振荡被解释为压头载荷下亚表面层中交替发生的应变硬化-软化循环。对弹性和塑性应力-应变场分量的选择性评估表明，这是一个正应变转化为剪切应变导致塑性变形的弹塑性变形过程。