納米壓痕儀主要由軸向移動線圈、加載單元、金剛石壓頭和控制單元等四部分組成。壓頭材料一般為金剛石，常用的有伯克維奇壓頭(Berkovich)和維氏(Vicker)壓頭。壓入載荷的測量和控制是通過應(yīng)變儀來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)壓入過程由計(jì)算機(jī)自動控制，可在線測量載荷與相應(yīng)的位移，并建立兩者之間的相應(yīng)關(guān)系(即P—h曲線)。在納米壓痕的應(yīng)用中，彈性模量和硬度值是常用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過卸載曲線的斜率得到彈性模量E，硬度值H則可由最大加載載荷和殘余變形面積求出。
納米壓痕技術(shù)大體上有5種技術(shù)理論：
(1)Oliver和Pharr方法：根據(jù)試驗(yàn)所測得的載荷一位移曲線，可以從卸載曲線的斜率求出彈性模量，而硬度值則可由最大加載載荷和壓痕的殘余變形面積求得。該方法的不足之處是采用傳統(tǒng)的硬度定義來進(jìn)行材料的硬度和彈性模量計(jì)算，沒有考慮納米尺度上的尺寸效應(yīng)。
(2)應(yīng)變梯度理論：材料硬度H依賴于壓頭壓人被測材料的深度h，并且隨著壓人深度的減小而增大，因此具有尺度效應(yīng)。該方法適用于具有塑性的晶體材料。但該方法無法計(jì)算材料的彈性模量。
(3)Hainsworth方法：由于卸載過程通常被認(rèn)為是一個(gè)純彈性過程，可以從卸載曲線求出材料彈性模量，并且可以根據(jù)卸載后的壓痕殘余變形求出材料的硬度。該方法適用于超硬薄膜或各向異性材料，因?yàn)樗鼈兊男遁d曲線無法與現(xiàn)有的模型相吻合。該方法的缺點(diǎn)是材料的塑性變形假設(shè)過于簡單，缺乏理論上支持。
(4)體積比重法：主要用來計(jì)算薄膜／基體組合體系的硬度，但多局限于試驗(yàn)研究方法，試驗(yàn)的結(jié)果也難以*排除基體對薄膜力學(xué)性能的影響。
(5)分子動力學(xué)模擬：該方法在原子尺度上考慮每個(gè)原子上所受到作用力、鍵合能以及晶體晶格常量，并運(yùn)用牛頓運(yùn)動方程來模擬原子間的相互作用結(jié)果，從而對納米尺度上的壓痕機(jī)理進(jìn)行解釋。
