圖像分析儀在金相分析中的應用
2011-03-27
圖像分析儀是對材料進行定量金相研究的強有力工具，也是日常金相檢驗的好幫手，可以避免人工評定帶來的主觀誤差，從而也避免了扯皮現象。雖然在日常金相檢驗中，不可能也不必每次都使用圖像分析儀，但當產品質量出現異常或金相組織級別處于合格與不合格之間而無法判別時，則可以借助圖像分析儀對其進行定量分析，得出準確結果，確保產品質量。圖像分析儀在金相分析中的應用，拓展了金相檢驗的檢測項目，促進了檢測水平的提高，對于提高檢測人員的素質也是十分有益的。
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，因此任何一個參數的測定都不能只靠人眼在顯微鏡下測定一個或幾個視場來確定，需用統計的方法對足夠多的視場進行大量的統計工作，才能保證測量結果的可靠性。如果僅靠人的眼睛在顯微鏡上進行目視評定，其準確性、一致性和重現性都很差，而且測定速度很慢，有些甚至因工作量過大而無法進行。圖像分析儀以先進的電子光學和電子計算機技術代替人眼觀察及統計計算，可以迅速而準確地進行有統計意義的測定及數據處理，同時具有精度高、重現性好，避免了人為因素對金相評定結果的影響等特點，而且操作簡便，可直接打印測量報告，目前已成為定量金相分析中不可缺少的手段。
金相工作者多年來一直從金相試樣拋光表面上通過顯微鏡觀察來定性地描述金屬材料的顯微組織特征或采用與各種標準圖片比較的方法評定顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物及第二相質點等，這種方法精確性不高，評定時帶有很大的主觀性，其結果的重現性也不能令人滿意，而且均是在金相試樣拋光表面的二維平面上測定，其測量的結果與三維空間真實組織形貌相比有一定差距。現代體視學的出現為人們提供了一種由二維圖像外推到三維空間的科學，即將二維平面上所測定的數據與金屬材料的三維空間的實際顯微組織形狀、大小、數量及分布聯系起來的一門科學，并可使材料的三維空間組織形狀、大小、數量及分布與其機械性能建立內在聯系，為科學地評價材料提供了可靠的分析數據。
1 圖像分析儀的原理及功能簡介
為了能用計算機存貯、處理和分析圖像，首先需將圖像數字化。一幀圖像是由不同灰度的一種分布所組成，用數學符號表示為j=j（x,y），x、y為圖像上像素點的坐標，j則表示其灰度值。所以，一幀圖像可以用一個m×n階矩表示，矩中每個元素對應于圖像中一像素點，aij的值即表示圖像中屬于第i行第j列的像素點的灰度值。CCD攝像機（電荷耦合器件攝像機）就是一種圖像數字化設備。金相試樣上的顯微特征經過光學系統后在CCD上成像并由CCD實現光電轉換和掃描，然后作為圖像信號取出，由放大器進行放大，并量化成灰度級以后貯存起來，從而得到數字圖像。計算機根據數字圖像中需測量特征的灰度值范圍，設定灰度值閾值T。對于數字圖像中任何一個像素點，若其灰度大于或等于T，則用白色（灰度值255）來代替它原來的灰度；若小于T則用黑色（灰度值0）來代替原來的灰度，可以把灰度圖像轉化為只有黑、白兩種灰度的二值圖像，然后再對圖像進行必要的處理，使計算機能方便對二值圖像進行粒子計數、面積、周長測量等圖像分析工作。若采用偽彩色處理，則可把256個灰度級轉換成對應的彩色，使灰度很接近的細節和其周圍環境或其他細節易于識別，從而改善圖像，更利于計算機處理多特征物圖像。
圖像分析儀的系統由金相顯徽鏡和宏觀攝像臺組成的光學成像系統，其用途是使金相試樣或照片形成圖像。可直接對金相試樣進行定量金相分析；宏觀攝像臺適用于分析金相照片、底片及實物等。
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。
*圖像分割。
*圖像增強和處理：包括陰影校正，偽彩色處理，灰度變換，平滑、銳化；圖像編輯等。
*測量：包括特征物統計，對其周長、面積、X/Y投影、軸長、取向角等參數進行統計測量。
*數據輸出。
*二值圖像處理：包括形態學處理（腐蝕、膨脹、骨胳化等），二值圖像的算術運算、聯接、自動修補等。
2 圖像分析儀在金相分析中的應用
2.1晶粒度測定
測量晶粒度是金相檢驗工作中經常進行的檢驗項目。傳統的方法是參照有關標準（GB6394-2002）中的標準圖片，采用與標準圖片相比較的方法評定出晶粒度級別，此方法簡便、速度快，但主觀上的誤差也比較大。若采用GB6394中規定的另外兩種方法，即面積法和截點法（仲裁方法），雖然可獲得準確的測量結果，但這兩種方法使用起來很不方便，其繁瑣程度令人望而生畏。如果使用圖像分析儀采用截點法進行晶粒度測定，則可以直接而迅速地求出晶粒度級別。
截點法是通過統計給定長度的測量網格上的晶界截數來測定晶粒度的，其晶粒度級別指數G的計算公式為：
G=-3.2877+6.6439lg（M×N/L）
式中：L-所使用的測量網格長度（mm）
N-測量網格L上的截點數
M-觀察用的放大倍數
L、M為已知數，只需測得N，圖像分析儀就可以得出晶粒度級別。在實測工作時，由于晶粒內部可能存在各種析出物以及因腐蝕控制不當而造成晶界斷裂，給準確測定帶來一定的困難，需采用圖像分析儀中的腐蝕與膨脹功能，去除晶粒內的析出物和對晶界進行重建，以得到完整的晶粒圖像。
2.2 測定顯徽組織的含量
定量地測定金屬材料中的顯微組織的百分比等參數，并研究其對機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。若對某種材料的不同基體組織進行定量金相分析，并與其機械性能對照，可深入研究顯微組織與機械性能之間的定量對應關系。
2.3 測定鍍層厚度及脫碳層、滲碳層深度
2.3.1 測定脫碳層及滲碳層深度
首先測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的直線，計算通過該直線的鐵素體含量，隨著直線向心部移動，當找到與基體組織中鐵素體含量相符的區域時，該直線距表面的距離即為脫碳層或滲碳層深度。
2.3.2 鍍層厚度測定
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象，為解決因厚薄不均而產生的測量誤差，圖像分析儀在測量鍍層時，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出一鍍層厚度數據，然后將這些數據進行處理，便得到鍍層的平均厚度、最大厚度、最小厚度等參數。若被測物是非常細小的金屬絲，其圓周均有鍍層，則取其橫截面圖像，從它的圓心出發呈不同角度沿徑向劃許多直線，同樣可測得。
2.3 計算球墨鑄鐵中石墨的球化率
球墨鑄鐵中石墨的球化率對其機械性能影響較大。因此，評定石墨球化率是金相檢驗中的一個重要項目。通常采用比較法評定，計算法則用于仲裁，GB9441標準中規定在計算球化率之前，須先求得視場中每一顆石墨的單顆石墨面積率（石墨實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，再按標準中的公式計算該視場的球化率。
2.4 測定非金屬夾雜物
圖像分析儀用于分析非金屬夾雜物，主要在兩方面：其一為測定非金屬夾雜物的數量、形態、尺寸、分布等參數，研究夾雜物與機械性能（特別是疲勞性能）之間的定量關系；其二是根據GB10561-89標準評定鋼中非金屬夾雜物級別。例如：機車車輛鑄鋼生產中的單渣冶煉工藝與雙渣冶煉工藝相比，具有能耗少、生產效率高及成本低等特點，但由于單渣冶煉工藝無擴散脫氧處理，其冶煉的鑄鋼中非金屬夾雜物在數量、形態、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械性能。戚墅堰所采用圖像分析儀對此問題開展了研究，從兩種工藝冶煉的鑄鋼件中各取12只試樣（取自4個爐次），每個試樣測量30個視場。測定結果表明，兩種工藝冶煉的鑄鋼中的非金屬夾雜物在數量、形態、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，其機械性能也相近。這說明單渣冶煉工藝若控制適當，其鑄鋼中非金屬夾雜物并不會增多。
根據GB10561《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標準編制而成的夾雜物評級軟件，其主要功能可對所要測定的夾雜物，依據GB10561標準中規定的4類夾雜物（即A類一硫化物類、B類一氧化鋁類、C類一硅酸鹽類、D類一球狀氧化物類）進行分類，然后參照標準予以評級。
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