测量和理解机械响应对于材料研究、产品开发和过程控制至关重要。这些材料的力学响应取决于应用场景和材料化学。测量这些力学性能的主要参数是荷载(P)、加载速率(Ṗ)或应变速率(ἐ)、加载时间(t)。
传统上，机械性能是通过施加载荷产生的应力-应变曲线来确定的，但纳米压痕已经被证明更加先进，可以在不到一秒的时间内提供硬度、模量等多种性能。机械试验中常用的术语有应力、应变、屈服应力。压力(σ)是施加在试件上的瞬时荷载除以试件在任何变形前的横截面面积。应变(ε)是试样的标准长度变化量除以其原始标准长度。屈服应力(σy)是材料不再有弹性反应时的应力，称为屈服点。
根据基础数据，确定其力学性能:
- 弹性模量
- 硬度
- 粘弹性材料的复模量
- 断裂韧性
弹性模量
纳米压痕可以测定两种力学性能:弹性模量和硬度。
弹性模量(E)，通常称为杨氏模量，是变形完全弹性时的应力(σ)与应变(ε)之比。在弹性区域，应力与应变呈正比关系，符合胡克定律:σ = Eε
弹性模量是一种材料的固有性质。在基本水平上，E是原子间键强度的度量。模量越大，材料越坚硬，应变越小。弹性响应是非永久性的，因此当施加的荷载解除时，样品会恢复到原来的形状。
硬度
硬度(H)是材料抵抗表面压痕变形的一种度量。塑性变形是由材料原子结构中的位错运动引起的。材料的屈服强度可以通过通过缺陷、合金或晶界抑制位错运动而改变。
材料硬度可以通过不同的方法提高，包括间隙硬化或替换硬化，其中原子要么被添加到原子晶格之间，要么被替换到原子晶格中:
显微硬度测试和纳米压痕是测定硬度的标准方法。纳米压痕还具有提供弹性模量的额外好处。
在设计触点时，材料的硬度是最重要的参数。越硬的材料相互接触时磨损越软。在力学中，硬度被定义为材料在施加载荷时对永久变形的抗力。
传统上，硬度是用相对尺度来测量的，如莫氏硬度或维氏硬度。根据莫氏硬度计的相对硬度，每种材料都被赋予从1到10的数值。纳米压痕技术的最新进展允许测量各种材料的硬度，并根据给定载荷下材料上的印迹面积来定义硬度。纳米压痕法计算的硬度H为:
这里，P是施加的载荷，A是压痕面积。根据材料有不同的测量标准，如肖氏硬度、维氏硬度、莫氏硬度和努氏硬度等。所有这些都代表了材料相对于标准样品的硬度。纳米压痕通过提供绝对硬度的物理测量来消除不同尺度上的模糊性。
与材料固有的弹性模量不同，材料的近表面硬度与本体硬度不同，硬度表现出尺寸依赖性。连续刚度测量是研究各种材料硬度尺寸效应的一种极好的深度依赖测量方法。通过比较两种由相同材料但不同晶粒尺寸组成的合金，可以了解硬度的尺寸依赖性。在大多数材料中，由于填料的致密性，晶粒越细，硬度越高。
粘弹性
动态力学分析(DMA)用于聚合物和橡胶材料具有固定的几何形状。当温度升高时，在扫频过程中施加振荡。复模量，存储模量和损耗模量的组合，然后确定为频率和温度的函数。
储存模量(E ')是聚合物材料弹性的度量。损耗模量(E”)是衡量聚合物将机械能转化为热的能力。损耗因子，称为tan δ，是E '与E '的比值。
当样品大小或功能需要很小的体积时，可以使用类似于DMA的动态纳米压痕测试来确定E '和E "。纳米压痕可用于表征比DMA更大的频率范围。对较小的样本量可以施加较小的热量。
断裂韧性
断裂韧性是材料抵抗脆性断裂的性能。由于在材料或构件的加工过程中，裂纹的发生是不可避免的，因此断裂韧性是一项重要的材料性能。断裂韧性高的材料易发生韧性断裂。断裂韧性低的材料通常具有脆性断裂。
模型可用于计算断裂韧性，并与高载荷纳米压痕数据相关。这些方法通常考虑缺陷尺寸、构件几何形状和载荷条件。断裂韧性是用来评估具有原有缺陷的构件的抗断裂能力。
