Nanoindentation

Introduction to nanoindentation

It is an indentation hardness test applied to small volumes.Nanoindentation refers to depth-sensing indentation testing in the submicrometer range. • Force >N• Displacement  nm• It is used to obtain:I.  HardnessII.  Elastic ModulusIII. Strain rate sensitivity IV. Other mechanical properties.Procedure of operation is similar to other indentation tests.

HYSITRON NANOINDENTER

Capacitive transducer , probe and high resolution camera

Nanoindenter Tip

 Testing probes typically fit into one of the following three categories:

• Three-sided pyramidal probes

• Cono-spherical probes

• Specialty probes

Cono- spherical probe

Diamond Berkovich tip

• It is a three sided pyramid 

• It has a very flat profile, with a total included angle of 142.3 degrees and a half angle of 65.35 degrees.

• The Berkovich tip has the same projected area to depth ratio as a Vickers indenter.

nanoindent

Motion of Indenter

• Force is applied and displacement is measured.

• Force is applied by 1. piezoelectric 

actuation 2.  electromagnetic 

actuation.3. Other methods

 Displacement measurement

Capacitive displacement gage

Differential capacitor

 In this case, the capacitance measuring circuit is set up to measure the difference between the two capacitances  C1 and C2 due to the displacement  ∆.

3 PLATE CAPACITIVE TRANSDUCER

Nanoindentation data analysis methods

Hardness:

The hardness is given by the equation below, relating the maximum load to the indentation area.

H=Pmax/Ap

Where 

Pmax = maximum loadAp = projected indentation areaArea of indentation can be calculated from displacement.

Nanoindentation data analysis methods

• When the indenter is unloaded, the material recovers by a process that is primarily elastic.

• The slope of the curve, dP/dh, upon unloading is indicative of the stiffness S of the contact. This value generally includes a contribution from both the material being tested and the response of the test device itself. The stiffness of the contact can be used to calculate the reduced Young's modulus Er:

where   A = F(hc)  is the  area of contact of the indentation at the contact depth hc.

For a perfect Berkovich indenter,

A(hc) = 24.5hc2

Young's modulus

ApplicationsTo measure hardness•  of thin 

films• Composite 

materials• Grain 

boundaries• Phases

Image showing a residual high-load indent impression with low-load indentation tests placed along the pile-up.