原子力顯微鏡可以應(yīng)用于顯示材料中的缺陷，如裂紋、位錯(cuò)和氣孔等。afm原子力顯微鏡的高分辨率能力使其可以應(yīng)用于脆性和韌性裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的研究。 為了研究這些裂紋擴(kuò)展， 用一個(gè)專為數(shù)字設(shè)備 -多模式原子力顯微鏡建造的力加載裝置將細(xì)小樣本懸置于原子力顯微鏡內(nèi)部。先在afm原子力顯微鏡外面用微調(diào)螺旋預(yù)壓，在小 piezostack 加電壓后，再在原子力顯微鏡內(nèi)部進(jìn)一步加壓。圖1顯示在‘I加’載模式下單晶標(biāo)本 NiAl 中的裂紋。加載后（圖左到圖右） ，裂紋在準(zhǔn)穩(wěn)定脆性方式下以 1μm的步長(zhǎng)擴(kuò)展。
圖1 金屬間化合物 NiAl 的裂紋擴(kuò)展。用肉眼可以觀測(cè)到，裂紋尖部的紅色彈性斷裂區(qū)域表現(xiàn)出高的應(yīng)力強(qiáng)度。掃描范圍8.6 μm
兩圖中，在裂紋尖部周圍突出顯示的紅區(qū)是小彈性位移造成的。裂紋很高的應(yīng)力強(qiáng)度產(chǎn)生一個(gè)厚度只有 10 納米左右小彈性凹陷區(qū)（紅色） 。這些脆性裂紋尖部的彈性位移在高垂直分辨率的afm原子力顯微鏡下可以很好的觀察到。對(duì)于尺寸較大的樣品， 具有數(shù)字指標(biāo)儀器的原子力顯微鏡系列能對(duì)進(jìn)行掃描的試樣進(jìn)行常規(guī)的加工測(cè)試。比如在張應(yīng)力或者壓應(yīng)力作用下，甚至在拉伸或者彎曲的情況下進(jìn)行測(cè)試。這種材料在室溫下很脆，但該原子力顯微鏡圖像顯示出了微量的韌性形變，如圖在裂紋尖部錯(cuò)位。裂紋呈 45 度角。通過(guò)位錯(cuò)釋放能被激活。裂紋中位錯(cuò)釋放的數(shù)量及分布情況可通過(guò)研究保留在試樣表面的拋光痕跡得出。這些軌跡通常是機(jī)械拋光所致。從這些塑性形變以及裂紋尖部的彈性抑制區(qū)域可以計(jì)算出斷裂韌性。這將有助于對(duì)斷裂機(jī)制，金屬的脆性到韌性的轉(zhuǎn)變以及金屬間化合物有更好的理解。
afm原子力顯微鏡還可以用來(lái)使試樣表面產(chǎn)生塑形縮進(jìn)。壓痕技術(shù)，如維氏硬度測(cè)試，在材料科學(xué)領(lǐng)域是十分常見(jiàn)的方法。它可以利用用光學(xué)檢測(cè)的壓痕大小計(jì)算得到的硬度值來(lái)快速估計(jì)試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。利用原子力顯微鏡，壓痕技術(shù)現(xiàn)在可以完成很多更小的尺寸和力曲線。對(duì)于納米壓痕，金剛石探針通常應(yīng)用于金屬樣品?？s進(jìn)量直接決定于原子力顯微鏡探針在經(jīng)處理后的樣品內(nèi)的縮進(jìn)大小。納米壓痕進(jìn)行*大負(fù)荷的范圍只有幾百微牛頓，這使得該技術(shù)在薄膜研究領(lǐng)域也非常具有吸引力。圖 2 顯示了afm原子力顯微鏡探針是如何壓痕于高溫合金 CMSX-6 不同相的，以及不同的縮進(jìn)量如何顯示母相的不同硬度。壓痕尺寸可降低至 10 納米或更低，這使得微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的局部研究變得很有可能。（圖3）
圖2利用一微小金剛石探針針尖， CMSX-6 合金中兩相的硬度差異就可以在毫微之間顯出差異。黃色γ相中的三角結(jié)構(gòu)越小越能表現(xiàn)出比較高的硬度
圖3 CMSX-6 合金中 γ相的所產(chǎn)生的*大力僅為100μN(yùn)。此圖掃描范圍為 1.5 μm
可靠的局部微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)量對(duì)新合金的開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與其它顯微鏡相比，原子力顯微鏡有著特有的優(yōu)點(diǎn)，其中包括：較高的分辨率，可對(duì)三維尺寸進(jìn)行測(cè)量，樣品適應(yīng)性較強(qiáng)，很少或者基本不對(duì)樣品進(jìn)行特殊準(zhǔn)備，以及在空氣中或者可在液體環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。afm原子力顯微鏡也可用于研究微米以及納米級(jí)別的包括斷裂在內(nèi)的塑性變形的起源和機(jī)制。