原子力顯微鏡AFM可以應用于顯示材料中的缺陷，如裂紋、位錯和氣孔等。原子力顯微鏡的高分辨率能力使其可以應用于脆性和韌性裂紋擴展過程中的研究。 為了研究這些裂紋擴展， 用一個專為數字設備 -多模式原子力顯微鏡建造的力加載裝置將細小樣本懸置于原子力顯微鏡內部。首先在原子力顯微鏡外面用微調螺旋預壓，在小 piezostack 加電壓后，再在原子力顯微鏡內部進一步加壓。圖1顯示在‘I加’載模式下單晶標本 NiAl 中的裂紋。加載后（圖左到圖右） ，裂紋在準穩定脆性方式下以 1μm的步長擴展。

兩圖中，在裂紋尖端周圍突出顯示的紅區是小彈性位移造成的。裂紋很高的應力強度產生一個厚度只有 10 納米左右小彈性凹陷區（紅色） 。這些脆性裂紋尖端的彈性位移在高垂直分辨率的原子力顯微鏡下可以很好的觀察到。對于尺寸較大的樣品， 具有數字指標儀器的原子力顯微鏡系列能對進行掃描的試樣進行常規的加工測試。比如在張應力或者壓應力作用下，甚至在拉伸或者彎曲的情況下進行測試。這種材料在室溫下極脆，但該原子力顯微鏡圖像顯示出了微量的韌性形變，如圖在裂紋尖端錯位。裂紋呈 45 度角。通過位錯釋放能被激活。裂紋中位錯釋放的數量及分布情況可通過研究保留在試樣表面的拋光痕跡得出。這些軌跡通常是機械拋光所致。從這些塑性形變以及裂紋尖端的彈性抑制區域可以計算出斷裂韌性。這將有助于對斷裂機制，金屬的脆性到韌性的轉變以及金屬間化合物有更好的理解。

原子力顯微鏡還可以用來使試樣表面產生塑形縮進。壓痕技術，如維氏硬度測試，在材料科學領域是十分常見的方法。它可以利用用光學檢測的壓痕大小計算得到的硬度值來快速估計試樣的屈服強度和抗拉強度。利用原子力顯微鏡，壓痕技術現在可以完成很多更小的尺寸和力曲線。對于納米壓痕，金剛石探針通常應用于金屬樣品。縮進量直接決定于原子力顯微鏡探針在經處理后的樣品內的縮進大小。納米壓痕進行最大負荷的范圍只有幾百微牛頓，這使得該技術在薄膜研究領域也非常具有吸引力。圖 2 顯示了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，這使得微觀結構力學性能的局部研究變得極為可能。（圖3）