图像分析仪在金相分析中的应用

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图像分析仪在金相分析中的应用
     刘学军  (戚墅堰机车车辆厂 213011)
6 X  U) u8 s0 D& C% B' D          赵 宜  (戚墅堰机车车辆工艺研究所 213011)
3 Z- z7 o2 y& R# |近年来，随着计算机技术和体视学的发展，图像分析仪被广泛地应用于金相分析中，使传统的金相分析技术从定性或半定量的工作状态逐步向定量金相分析方向发展。
    金相工作者多年来一直从金相试样抛光表面上通过显微镜观察来定性地描述金属材料的显微组织特征或采用与各种标准图片比较的方法评定显微组织、晶粒度、非金属夹杂物及第二相质点等，这种方法精确性不高，评定时带有很大的主观性，其结果的重现性也不能令人满意，而且均是在金相试样抛光表面的二维平面上测定，其测量的结果与三维空间真实组织形貌相比有一定差距。现代体视学的出现为人们提供了一种由二维图像外推到三维空间的科学，即将二维平面上所测定的数据与金属材料的三维空间的实际显微组织形状、大小、数量及分布联系起来的一门科学，并可使材料的三维空间组织形状、大小、数量及分布与其机械性能建立内在联系，为科学地评价材料提供了可靠的分析数据。
3 P6 c7 Y8 w5 o; m- A# d4 S) O    由于金属材料中的显徽组织和非金属夹杂物等并非均匀分布，因此任何一个参数的测定都不能只靠人眼在显微镜下测定一个或几个视场来确定，需用统计的方法对足够多的视场进行大量的统计工作，才能保证测量结果的可靠性。如果仅靠人的眼睛在显微镜上进行目视评定，其准确性、一致性和重现性都很差，而且测定速度很慢，有些甚至因工作量过大而无法进行。图像分析仪以先进的电子光学和电子计算机技术代替人眼观察及统计计算，可以迅速而准确地进行有统计意义的测定及数据处理，同时具有精度高、重现性好，避免了人为因素对金相评定结果的影响等特点，而且操作简便，可直接打印测量报告，目前已成为定量金相分析中不可缺少的手段。
7 v- `( v; b* ~    图像分析仪是对材料进行定量金相研究的强有力工具，也是日常金相检验的好帮手，可以避免人工评定带来的主观误差，从而也避免了扯皮现象。虽然在日常金相检验中，不可能也不必每次都使用图像分析仪，但当产品质量出现异常或金相组织级别处于合格与不合格之间而无法判别时，则可以借助图像分析仪对其进行定量分析，得出准确结果，确保产品质量。图像分析仪在金相分析中的应用，拓展了金相检验的检测项目，促进了检测水平的提高，对于提高检测人员的素质也是十分有益的。
1  图像分析仪的原理及功能简介
    图像分析仪的系统由金相显徽镜和宏观摄像台组成的光学成像系统，其用途是使金相试样或照片形成图像。金相显微镜可直接对金相试样进行定量金相分析；宏观摄像台适用于分析金相照片、底片及实物等。
    为了能用计算机存贮、处理和分析图像，首先需将图像数字化。一帧图像是由不同灰度的一种分布所组成，用数学符号表示为j＝j（x,y），x、y为图像上像素点的坐标，j则表示其灰度值。所以，一帧图像可以用一个m×n阶矩表示，矩中每个元素对应于图像中一像素点，aij的值即表示图像中属于第i行第j列的像素点的灰度值。CCD摄像机（电荷耦合器件摄像机）就是一种图像数字化设备。金相试样上的显微特征经过光学系统后在CCD上成像并由CCD实现光电转换和扫描，然后作为图像信号取出，由放大器进行放大，并量化成灰度级以后贮存起来，从而得到数字图像。
) U9 B+ b! ?4 c    计算机根据数字图像中需测量特征的灰度值范围，设定灰度值阈值T。对于数字图像中任何一个像素点，若其灰度大于或等于T，则用白色（灰度值255）来代替它原来的灰度；若小于T则用黑色（灰度值0）来代替原来的灰度，可以把灰度图像转化为只有黑、白两种灰度的二值图像，然后再对图像进行必要的处理，使计算机能方便对二值图像进行粒子计数、面积、周长测量等图像分析工作。若采用伪彩色处理，则可把256个灰度级转换成对应的彩色，使灰度很接近的细节和其周围环境或其他细节易于识别，从而改善图像，更利于计算机处理多特征物图像。
2 l: Y% t8 F- p$ o7 ?) X' U% Z: S    图像分析仪通常都具有下列基本图像处理、分析功能：
    *图像采集。
    *图像增强和处理：包括阴影校正，伪彩色处理，灰度变换，平滑、锐化；图像编辑等。
    *图像分割。
    *二值图像处理：包括形态学处理（腐蚀、膨胀、骨胳化等），二值图像的算术运算、联接、自动修补等。
    *测量：包括特征物统计，对其周长、面积、X／Y投影、轴长、取向角等参数进行统计测量。
2 R+ L1 D; E; l( Z    *数据输出。
  2  图像分析仪在金相分析中的应用
    2.1晶粒度测定
    测量晶粒度是金相检验工作中经常进行的检验项目。传统的方法是参照有关标准（GB6394－2002）中的标准图片，采用与标准图片相比较的方法评定出晶粒度级别，此方法简便、速度快，但主观上的误差也比较大。若采用GB6394中规定的另外两种方法，即面积法和截点法（仲裁方法），虽然可获得准确的测量结果，但这两种方法使用起来很不方便，其繁琐程度令人望而生畏。如果使用图像分析仪采用截点法进行晶粒度测定，则可以直接而迅速地求出晶粒度级别。
    截点法是通过统计给定长度的测量网格上的晶界截数来测定晶粒度的，其晶粒度级别指数G的计算公式为：
! _) ~* p; s$ P+ h  Z        G＝－3.2877＋6.6439lg（M×N／L）
5 W8 q4 A6 {' ^( Y        式中：L－所使用的测量网格长度（mm）
              M－观察用的放大倍数
              N－测量网格L上的截点数
6 {; N) ^0 L9 A9 M# k; {     L、M为已知数，只需测得N，图像分析仪就可以得出晶粒度级别。在实测工作时，由于晶粒内部可能存在各种析出物以及因腐蚀控制不当而造成晶界断裂，给准确测定带来一定的困难，需采用图像分析仪中的腐蚀与膨胀功能，去除晶粒内的析出物和对晶界进行重建，以得到完整的晶粒图像。
* `# G! z: q0 D% {0 I0 B( s    2.2 测定显徽组织的含量
    定量地测定金属材料中的显微组织的百分比等参数，并研究其对机械性能的影响是图像分析仪在金相分析中的主要用途之一。例如：测定灰铸铁、球铁、铸钢及低碳钢中的铁素体和珠光体的百分比；双相钢中的马氏体与铁素体的百分比；渗碳淬火硬化层和奥贝球铁中的残余奥氏体含量；高磷闸瓦中的磷共晶含量；铸造铝合金中的共晶硅含量，抱轴瓦白合金中的β相含量等。使用图像分析仪的基本功能很方便地完成这些工作。若对某种材料的不同基体组织进行定量金相分析，并与其机械性能对照，可深入研究显微组织与机械性能之间的定量对应关系。
    2.3 测定镀层厚度及脱碳层、渗碳层深度
9 f. f5 _; T: h8 u    2.3.1 镀层厚度测定
    由于镀层下基体材料表面粗糙度或电镀工艺的影响，使镀层存在着厚薄不均的现象，为解决因厚薄不均而产生的测量误差，图像分析仪在测量镀层时，首先在显示镀层截面形貌的屏幕上划许多条相互平行且垂直于镀层表面、并横贯镀层的直线，这样每一条直线均能测出一镀层厚度数据，然后将这些数据进行处理，便得到镀层的平均厚度、最大厚度、最小厚度等参数。若被测物是非常细小的金属丝，其圆周均有镀层，则取其横截面图像，从它的圆心出发呈不同角度沿径向划许多直线，同样可测得。
7 z6 O9 m! v% j2 G/ N* {% j, z# a" u1 [    2.3.2 测定脱碳层及渗碳层深度
    首先测定基体组织的铁素体含量，然后在屏幕上划一条平行于表面并可移动的直线，计算通过该直线的铁素体含量，随着直线向心部移动，当找到与基体组织中铁素体含量相符的区域时，该直线距表面的距离即为脱碳层或渗碳层深度。
    2.4 测定非金属夹杂物
1 i, Y: T/ d. v2 l% F/ C    图像分析仪用于分析非金属夹杂物，主要在两方面：其一为测定非金属夹杂物的数量、形态、尺寸、分布等参数，研究夹杂物与机械性能（特别是疲劳性能）之间的定量关系；其二是根据GB10561－89标准评定钢中非金属夹杂物级别。例如：机车车辆铸钢生产中的单渣冶炼工艺与双渣冶炼工艺相比，具有能耗少、生产效率高及成本低等特点，但由于单渣冶炼工艺无扩散脱氧处理，其冶炼的铸钢中非金属夹杂物在数量、形态、尺寸、分布等方面与双渣法冶炼的铸钢是否存在较大差异，并由此而影响铸钢的机械性能。戚墅堰所采用图像分析仪对此问题开展了研究，从两种工艺冶炼的铸钢件中各取12只试样（取自4个炉次），每个试样测量30个视场。测定结果表明，两种工艺冶炼的铸钢中的非金属夹杂物在数量、形态、颗粒尺寸、分散度和平均间距等方面基本上趋于一致；在显微组织相同的条件下，其机械性能也相近。这说明单渣冶炼工艺若控制适当，其铸钢中非金属夹杂物并不会增多。
    根据GB10561《钢中非金属夹杂物显微评定方法》标准编制而成的夹杂物评级软件，其主要功能可对所要测定的夹杂物，依据GB10561标准中规定的4类夹杂物（即A类一硫化物类、B类一氧化铝类、C类一硅酸盐类、D类一球状氧化物类）进行分类，然后参照标准予以评级。
$ M5 O: J) H$ H. [- a; F4 H7 p    2.5 计算球墨铸铁中石墨的球化率
    球墨铸铁中石墨的球化率对其机械性能影响较大。因此，评定石墨球化率是金相检验中的一个重要项目。通常采用比较法评定，计算法则用于仲裁，GB9441标准中规定在计算球化率之前，须先求得视场中每一颗石墨的单颗石墨面积率（石墨实际面积与其最小外接圆面积之比），然后换算成每颗石墨的形状系数，再按标准中的公式计算该视场的球化率。
7 d& u4 Z, q- L! G0 q6 {    2.6 断口分形研究
     Mand1brot等人于1984年首次将分形几何应用于研究材料的冲击断口，发现马氏体时效钢的冲击功随其断口的分形维数Df值增加而呈线性减少。此后，分形几何便进入材料的研究领域。
    分形维数Df的测定方法为首先在断口上镀一层镍，在细砂纸上沿平行断口表面轻轻磨去一层，然后仔细抛光，凸起被磨光的部位在显微镜观察呈亮色，称为“岛”，未磨到的凹下镀镍部分呈暗色，称为“湖”。用图像分析仪测量每个“湖中之岛”的周长和面积，每个试样断口上分别测10至14个视场，将测得的一系列周长和面积输入计算机，打印出周长和面积的双对数图及线性回归直线的斜率，回归直线斜率的两倍便是分形维数Df。分形维数与材料的显微组织、断裂性能、疲劳门槛值等有着密切的关系，应用图像分析仪通过剖面小岛法测量断口的分形维数，可定量描述材料断口特征、研究和推断材料力学性能。