圖像分析儀在金相分析中的應(yīng)用

[2011/5/19]

　　金相工作者多年來(lái)一直從金相試樣拋光表面上通過(guò)顯微鏡觀察來(lái)定性地描述金屬材料的顯微組織特征或采用與各種標(biāo)準(zhǔn)圖片比較的方法評(píng)定顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物及第二相質(zhì)點(diǎn)等，這種方法精確性不高，評(píng)定時(shí)帶有很大的主觀性，其結(jié)果的重現(xiàn)性也不能令人滿意，而且均是在金相試樣拋光表面的二維平面上測(cè)定，其測(cè)量的結(jié)果與三維空間真實(shí)組織形貌相比有一定差距，F(xiàn)代體視學(xué)的出現(xiàn)為人們提供了一種由二維圖像外推到三維空間的科學(xué)，即將二維平面上所測(cè)定的數(shù)據(jù)與金屬材料的三維空間的實(shí)際顯微組織形狀、大小、數(shù)量及分布聯(lián)系起來(lái)的一門(mén)科學(xué)，并可使材料的三維空間組織形狀、大小、數(shù)量及分布與其機(jī)械性能建立內(nèi)在聯(lián)系，為科學(xué)地評(píng)價(jià)材料提供了可靠的分析數(shù)據(jù)。

　　由于金屬材料中的顯徽組織和非金屬夾雜物等并非均勻分布，因此任何一個(gè)參數(shù)的測(cè)定都不能只靠人眼在顯微鏡下測(cè)定一個(gè)或幾個(gè)視場(chǎng)來(lái)確定，需用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)足夠多的視場(chǎng)進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)工作，才能保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。如果僅靠人的眼睛在顯微鏡上進(jìn)行目視評(píng)定，其準(zhǔn)確性、一致性和重現(xiàn)性都很差，而且測(cè)定速度很慢，有些甚至因工作量過(guò)大而無(wú)法進(jìn)行。圖像分析儀以先進(jìn)的電子光學(xué)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)代替人眼觀察及統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以迅速而準(zhǔn)確地進(jìn)行有統(tǒng)計(jì)意義的測(cè)定及數(shù)據(jù)處理，同時(shí)具有精度高、重現(xiàn)性好，避免了人為因素對(duì)金相評(píng)定結(jié)果的影響等特點(diǎn)，而且操作簡(jiǎn)便，可直接打印測(cè)量報(bào)告，目前已成為定量金相分析中不可缺少的手段。

　　圖像分析儀是對(duì)材料進(jìn)行定量金相研究的強(qiáng)有力工具，也是日常金相檢驗(yàn)的好幫手，可以避免人工評(píng)定帶來(lái)的主觀誤差，從而也避免了扯皮現(xiàn)象。雖然在日常金相檢驗(yàn)中，不可能也不必每次都使用圖像分析儀，但當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)異常或金相組織級(jí)別處于合格與不合格之間而無(wú)法判別時(shí)，則可以借助圖像分析儀對(duì)其進(jìn)行定量分析，得出準(zhǔn)確結(jié)果，確保產(chǎn)品質(zhì)量。圖像分析儀在金相分析中的應(yīng)用，拓展了金相檢驗(yàn)的檢測(cè)項(xiàng)目，促進(jìn)了檢測(cè)水平的提高，對(duì)于提高檢測(cè)人員的素質(zhì)也是十分有益的。

　　1 圖像分析儀的原理及功能簡(jiǎn)介

　　圖像分析儀的系統(tǒng)由金相顯徽鏡和宏觀攝像臺(tái)組成的光學(xué)成像系統(tǒng)，其用途是使金相試樣或照片形成圖像。金相顯微鏡可直接對(duì)金相試樣進(jìn)行定量金相分析;宏觀攝像臺(tái)適用于分析金相照片、底片及實(shí)物等。

　　為了能用計(jì)算機(jī)存貯、處理和分析圖像，首先需將圖像數(shù)字化。一幀圖像是由不同灰度的一種分布所組成，用數(shù)學(xué)符號(hào)表示為j=j(x,y)，x、y為圖像上像素點(diǎn)的坐標(biāo)，j則表示其灰度值。所以，一幀圖像可以用一個(gè)m×n階矩表示，矩中每個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像中一像素點(diǎn)，aij的值即表示圖像中屬于第i行第j列的像素點(diǎn)的灰度值。CCD攝像機(jī)(電荷耦合器件攝像機(jī))就是一種圖像數(shù)字化設(shè)備。金相試樣上的顯微特征經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后在CCD上成像并由CCD實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和掃描，然后作為圖像信號(hào)取出，由放大器進(jìn)行放大，并量化成灰度級(jí)以后貯存起來(lái)，從而得到數(shù)字圖像。計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)字圖像中需測(cè)量特征的灰度值范圍，設(shè)定灰度值閾值T。對(duì)于數(shù)字圖像中任何一個(gè)像素點(diǎn)，若其灰度大于或等于T，則用白色(灰度值255)來(lái)代替它原來(lái)的灰度;若小于T則用黑色(灰度值0)來(lái)代替原來(lái)的灰度，可以把灰度圖像轉(zhuǎn)化為只有黑、白兩種灰度的二值圖像，然后再對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理，使計(jì)算機(jī)能方便對(duì)二值圖像進(jìn)行粒子計(jì)數(shù)、面積、周長(zhǎng)測(cè)量等圖像分析工作。若采用偽彩色處理，則可把256個(gè)灰度級(jí)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的彩色，使灰度很接近的細(xì)節(jié)和其周?chē)h(huán)境或其他細(xì)節(jié)易于識(shí)別，從而改善圖像，更利于計(jì)算機(jī)處理多特征物圖像。

　　圖像分析儀通常都具有下列基本圖像處理、分析功能：

　　*圖像采集。

　　*圖像增強(qiáng)和處理：包括陰影校正，偽彩色處理，灰度變換，平滑、銳化;圖像編輯等。

　　*圖像分割。

　　*二值圖像處理：包括形態(tài)學(xué)處理(腐蝕、膨脹、骨胳化等)，二值圖像的算術(shù)運(yùn)算、聯(lián)接、自動(dòng)修補(bǔ)等。

　　*測(cè)量：包括特征物統(tǒng)計(jì)，對(duì)其周長(zhǎng)、面積、X/Y投影、軸長(zhǎng)、取向角等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)量。

　　*數(shù)據(jù)輸出。

　　2 圖像分析儀在金相分析中的應(yīng)用

　　2.1晶粒度測(cè)定

　　測(cè)量晶粒度是金相檢驗(yàn)工作中經(jīng)常進(jìn)行的檢驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)的方法是參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB6394-2002)中的標(biāo)準(zhǔn)圖片，采用與標(biāo)準(zhǔn)圖片相比較的方法評(píng)定出晶粒度級(jí)別，此方法簡(jiǎn)便、速度快，但主觀上的誤差也比較大。若采用GB6394中規(guī)定的另外兩種方法，即面積法和截點(diǎn)法(仲裁方法)，雖然可獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，但這兩種方法使用起來(lái)很不方便，其繁瑣程度令人望而生畏。如果使用圖像分析儀采用截點(diǎn)法進(jìn)行晶粒度測(cè)定，則可以直接而迅速地求出晶粒度級(jí)別。

　　截點(diǎn)法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)給定長(zhǎng)度的測(cè)量網(wǎng)格上的晶界截?cái)?shù)來(lái)測(cè)定晶粒度的，其晶粒度級(jí)別指數(shù)G的計(jì)算公式為：

　　G=-3.2877+6.6439lg(M×N/L)

　　式中：L-所使用的測(cè)量網(wǎng)格長(zhǎng)度(mm)

　　M-觀察用的放大倍數(shù)

　　N-測(cè)量網(wǎng)格L上的截點(diǎn)數(shù)

　　L、M為已知數(shù)，只需測(cè)得N，圖像分析儀就可以得出晶粒度級(jí)別。在實(shí)測(cè)工作時(shí)，由于晶粒內(nèi)部可能存在各種析出物以及因腐蝕控制不當(dāng)而造成晶界斷裂，給準(zhǔn)確測(cè)定帶來(lái)一定的困難，需采用圖像分析儀中的腐蝕與膨脹功能，去除晶粒內(nèi)的析出物和對(duì)晶界進(jìn)行重建，以得到完整的晶粒圖像。

　　2.2 測(cè)定顯徽組織的含量

　　定量地測(cè)定金屬材料中的顯微組織的百分比等參數(shù)，并研究其對(duì)機(jī)械性能的影響是圖像分析儀在金相分析中的主要用途之一。例如：測(cè)定灰鑄鐵、球鐵、鑄鋼及低碳鋼中的鐵素體和珠光體的百分比;雙相鋼中的馬氏體與鐵素體的百分比;滲碳淬火硬化層和奧貝球鐵中的殘余奧氏體含量;高磷閘瓦中的磷共晶含量;鑄造鋁合金中的共晶硅含量，抱軸瓦白合金中的β相含量等。使用圖像分析儀的基本功能很方便地完成這些工作。若對(duì)某種材料的不同基體組織進(jìn)行定量金相分析，并與其機(jī)械性能對(duì)照，可深入研究顯微組織與機(jī)械性能之間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　2.3 測(cè)定鍍層厚度及脫碳層、滲碳層深度

　　2.3.1 鍍層厚度測(cè)定

　　由于鍍層下基體材料表面粗糙度或電鍍工藝的影響，使鍍層存在著厚薄不均的現(xiàn)象，為解決因厚薄不均而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，圖像分析儀在測(cè)量鍍層時(shí)，首先在顯示鍍層截面形貌的屏幕上劃許多條相互平行且垂直于鍍層表面、并橫貫鍍層的直線，這樣每一條直線均能測(cè)出一鍍層厚度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便得到鍍層的平均厚度、最大厚度、最小厚度等參數(shù)。若被測(cè)物是非常細(xì)小的金屬絲，其圓周均有鍍層，則取其橫截面圖像，從它的圓心出發(fā)呈不同角度沿徑向劃許多直線，同樣可測(cè)得。

　　2.3.2 測(cè)定脫碳層及滲碳層深度

　　首先測(cè)定基體組織的鐵素體含量，然后在屏幕上劃一條平行于表面并可移動(dòng)的直線，計(jì)算通過(guò)該直線的鐵素體含量，隨著直線向心部移動(dòng)，當(dāng)找到與基體組織中鐵素體含量相符的區(qū)域時(shí)，該直線距表面的距離即為脫碳層或滲碳層深度。

　　2.4 測(cè)定非金屬夾雜物

　　圖像分析儀用于分析非金屬夾雜物，主要在兩方面：其一為測(cè)定非金屬夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸、分布等參數(shù)，研究夾雜物與機(jī)械性能(特別是疲勞性能)之間的定量關(guān)系;其二是根據(jù)GB10561-89標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定鋼中非金屬夾雜物級(jí)別。例如：機(jī)車(chē)車(chē)輛鑄鋼生產(chǎn)中的單渣冶煉工藝與雙渣冶煉工藝相比，具有能耗少、生產(chǎn)效率高及成本低等特點(diǎn)，但由于單渣冶煉工藝無(wú)擴(kuò)散脫氧處理，其冶煉的鑄鋼中非金屬夾雜物在數(shù)量、形態(tài)、尺寸、分布等方面與雙渣法冶煉的鑄鋼是否存在較大差異，并由此而影響鑄鋼的機(jī)械性能。戚墅堰所采用圖像分析儀對(duì)此問(wèn)題開(kāi)展了研究，從兩種工藝冶煉的鑄鋼件中各取12只試樣(取自4個(gè)爐次)，每個(gè)試樣測(cè)量30個(gè)視場(chǎng)。測(cè)定結(jié)果表明，兩種工藝冶煉的鑄鋼中的非金屬夾雜物在數(shù)量、形態(tài)、顆粒尺寸、分散度和平均間距等方面基本上趨于一致;在顯微組織相同的條件下，其機(jī)械性能也相近。這說(shuō)明單渣冶煉工藝若控制適當(dāng)，其鑄鋼中非金屬夾雜物并不會(huì)增多。

　　根據(jù)GB10561《鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法》標(biāo)準(zhǔn)編制而成的夾雜物評(píng)級(jí)軟件，其主要功能可對(duì)所要測(cè)定的夾雜物，依據(jù)GB10561標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的4類(lèi)夾雜物(即A類(lèi)一硫化物類(lèi)、B類(lèi)一氧化鋁類(lèi)、C類(lèi)一硅酸鹽類(lèi)、D類(lèi)一球狀氧化物類(lèi))進(jìn)行分類(lèi)，然后參照標(biāo)準(zhǔn)予以評(píng)級(jí)。

　　2.5 計(jì)算球墨鑄鐵中石墨的球化率

　　球墨鑄鐵中石墨的球化率對(duì)其機(jī)械性能影響較大。因此，評(píng)定石墨球化率是金相檢驗(yàn)中的一個(gè)重要項(xiàng)目。通常采用比較法評(píng)定，計(jì)算法則用于仲裁，GB9441標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在計(jì)算球化率之前，須先求得視場(chǎng)中每一顆石墨的單顆石墨面積率(石墨實(shí)際面積與其最小外接圓面積之比)，然后換算成每顆石墨的形狀系數(shù)，再按標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算該視場(chǎng)的球化率。