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變儀來實現(xiàn)，整個壓入過程由計算機自動控制，可在線測量載荷與相應的位移，并建立兩者之間的相應關系(即P—h曲線)。在納米壓痕的應用中，彈性模量和硬度值是常用的實驗數(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。

　　納米壓痕技術大體上有5種技術理論：

　　(1)Oliver和Pharr方法：根據(jù)試驗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)的硬度定義來進行材料的硬度和彈性模量計算，沒有考慮納米尺度上的尺寸效應。

　　(2)應變梯度理論：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。該方法適用于具有塑性的晶體材料。但該方法無法計算材料的彈性模量。

　　(3)Hainsworth方法：由于卸載過程通常被認為是一個純彈性過程，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，因為它們的卸載曲線無法與現(xiàn)有的模型相吻合。該方法的缺點是材料的塑性變形假設過于簡單，缺乏理論上支持。

　　(4)體積比重法：主要用來計算薄膜／基體組合體系的硬度，但多局限于試驗研究方法，試驗的結果也難以*排除基體對薄膜力學性能的影響。

　　(5)分子動力學模擬：該方法在原子尺度上考慮每個原子上所受到作用力、鍵合能以及晶體晶格常量，并運用牛頓運動方程來模擬原子間的相互作用結果，從而對納米尺度上的壓痕機理進行解釋。