聚焦科研热点，透视特色技术丨铝合金材料研究检测岛津特色技术方案
铝合金材料具有质轻、强度高、耐腐蚀性好、造型多样、成型方便、易于批量生产、价格相对较低等优点，广泛应用于汽车、航空航天等领域的各种重要零件当中。但是由于铝材料较软这一固有属性，使得铝合金的耐磨性能成为制约其发展的瓶颈，铝合金零部件在工作过程中会出现表面疲劳剥落、表面划痕等，引起配合面的失效，如何实现铝合金材料强度和塑性的协同提升是研究者追求的目标。
铝合金材料性能提升的研究中，岛津可提供有针对性的、特色测试表征方案，电子探针显微分析仪（EPMA）可以测试微区形貌、微区成分分析，动态超显微硬度计（DUH）可进行微小领域的硬度测试，全自动带扫描电子显微镜的高温疲劳试验机（SEM-SERVO）可在进行拉伸测试的同时实时观测裂缝的产生过程并观察断口。
铝合金轴瓦部件进行了表面涂层处理，采用电子探针显微分析仪EPMA-1720测试微区表面形貌特性及特征区域的元素含量。
图1 岛津电子探针显微分析仪EPMA-1720
1、 微区表面形貌特征观察
铝合金表面为黑色涂层，见图2。使用EPMA观察表面微区形貌特征，结果见图3。图3.a 左侧为涂层，右侧为未涂装的基体部分，图3.b 为涂层区域局部二次电子形貌(SEI)。图3.c和图 3.d 为基体部分放大后显示的SEI 和背散射电子像(BEI)特征。可见基体为铝合金，存在多种元素分布。图3.e和图3.f为涂层区域放大后显示的 SEI和 BEI，表面有一定的粗糙度，以及涂层中颗粒分布特征情况。
图2 待测试样整体形貌
图3 轴瓦表面形貌特征
2、微区成分分析
使用EPMA对选中的两个特征区域进行测试，其测试的位置示意图见图4.a，测试结果及谱图见图4.b 和图4.c。位置1主要为合金元素析出集中部位，而位置2为基体主成分相，合金元素主要以固溶体的形式存在。
a 定性分析位置
b 位置1定性分析谱图及结果
c 位置2定性分析谱图及结果
图4 轴瓦基体的EPMA分析
使用岛津DUH型动态超显微硬度计对机加工不锈钢表面薄层（1-3μm）进行动态压痕硬度的试验。分析不同表面处理方式下不同的硬度与压痕深度，得出变质层对表面硬度的影响范围与影响程度。
图5 动态超显微硬度计DUH-211 / 211S
1、 样品信息
表1 测试样品信息
2、 实验结果
试验对每个样本在3个不同点进行测试，同一样品在同一深度下测得3次硬度，计算所得硬度平均值。不同深度下硬度值如下表2。通过绘制得到下图6曲线。可以看曲线B在约2μm的深度时开始接近A并随后与之重叠，该趋势表明，加工变质层在有效深度约为2μm，在2μm内对不锈钢表面强度具有一定影响，但此后基体材料的硬度占主导地位。曲线C表明，由于试样C在抛光纸抛光之前经历了车削过程，因此相应的加工变质层能将其影响保持在明显大于曲线B的深度。
表2 各样品在不同深度计算所得的硬度值
图6 维氏硬度与深度关系曲线
采用岛津DUH型动态超显微硬度计对机加工不锈钢（SUS304）表面薄层（1-3μm）进行动态压痕硬度的实验，验证了在不锈钢制品加工过程中的车、铣、磨等工序会使其产生变质层从而改变其表面硬度指标。对于DUH型试验机，由于其可以以极小加载力且精准地测试出其压入深度，所以可以利用它测试变质层影响范围与相关硬度数据。
采用全自动带扫描电子显微镜的高温疲劳试验机SEM-SERVO，实时观测疲劳试验过程，记录裂纹萌生、扩展、断裂的整个过程，观察断面情况。
图7 岛津全自动带扫描电子显微镜的高温疲劳试验机SEM-SERVO
图8 室温下低碳钢的微裂纹扩展过程
采用全自动带扫描电子显微镜的高温疲劳试验机SEM-SERVO，可在室温、高温条件下，观测微小裂纹的产生、扩展。
SEM-SERVO在铝合金研究中的应用，可参考文献: Guoyun Luo., Improving mechanical properties of quasi-continuous-wave laser beam welded 7075 aluminum alloy through microstructural refinement and homogenization of the fusion zone, Optics and Laser Technology 153 (2022) 108221.
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