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金相學與材料學的相關知識, 日期:2017.08.15

1863 年英國的H. C. So rby (以下簡稱索氏) 首次用顯微鏡觀察經拋光並腐刻的鋼鐵試片, 從而揭開了金相學的序幕。他在鍛鐵中觀察到類似魏氏在鐵隕石中觀察到的組織, 並稱之為魏氏組織。後來他又進一步完善了金相拋光技術, 例如把鋼樣磨成01025 毫米的試片, 並在攝影師的協助下拍攝了鋼與鐵的顯微像, 基本上搞清了其中的主要相, 並對鋼的淬火、回火等相變作了到現在看來還基本上是正確的解釋。索氏是國際公認的金相學創建人, 特別是在英國和美國, 都在1963年召開了金相學誕生一百周年報告會[4, 5 ] , 紀念索氏在1863 年的發現(索氏在鍛鐵中觀察到魏氏組織的論文發表於1864 年, 但是在他的1863 年7 月28 日的日記中對此已做了記載)。他的姓氏還被用來命名鋼中的一種淬火或回火組織——So rbite, 即索氏體, 但是這個名詞現在已基本淘汰了。 
       索氏在1826 年出生於英國鋼城Sheffield 中的一個鋼鐵世家中, 他的祖先開了兩家刀具廠, 他繼續了其中之一。不過他生性酷愛自然, 很少過問他的產業, 一直是一個從事地質與金屬研究的自由研究工作者[8, 9 ]。晚年還熱心教育, 任Sheffield 大學的第一任校長。他終生未婚, 以探討自然奧秘為樂, 共發表論文230 篇, 其中地質方麵約100 篇, 金屬方麵僅15 篇(具體目錄見文獻[10 ])。由此可見他的主要愛好還是在地質方麵。 
       索氏年輕時就對自然界的生物、礦物、地質發生了極大的愛好, 他在21 歲時發表的論文是“農作物中的硫磷含量”。後來他從一位生物學家那兒學會了使用顯微鏡觀察生物標本及牙、骨等硬物的試片製備方法。這就導致了他後來用顯微鏡研究岩石從而建立了岩相學(1850 年) , 當時他才24 歲。這一新鮮事物很快就受到廣泛的重視, 推崇他是“顯微岩相學之父”, 先後選他當英國地質學會、礦物學會、顯微鏡學會的主席。但是, 也有一些思想守舊的人譏笑他“用顯微鏡研究山脈”, 坐井觀天。但是這並阻擋不了科學向前發展的曆史潮流。 
       由於生活在一個鋼城的鋼鐵世家中, 索氏不可避免地會經常接觸一些鋼鐵題目, 如用酸蝕綴飾刀具。到1863 年索氏的岩相研究已經很有成就, 他開始了鐵隕石的研究。為了弄清它的顯微結構, 他還研究一塊瑞典生產的鍛鐵的顯微結構。為了觀察不透明的鋼鐵試片, 索氏采用反射式的垂直照明。可惜當時這件事並未引起鋼鐵界的留意, 直到二十幾年後他被要求重新發表他的1863 年的研究結果, 才受到普遍重視。他在自傳式的論文“科學研究五十年”中用嘲笑的口氣說:“在早年, 假如鐵路出了一次事故而我建議鐵路公司取一段鐵軌進行顯微鏡觀察, 恐怕他們會以為我是適合送進教養院往的人”。 
       索氏在鋼鐵的顯微鏡觀察中發現的主要相是: 
       (1) 自由鐵(1890 年美國著名金相學家Howe命名為Ferrite, 即鐵素體) ; 
       (2) 碳含量高的極硬化合物(1881 年Apel 用電化學分離方法確定為Fe3C, 1890 年Howe 命名為Cementite, 即滲碳體) ; 
       (3) 由前兩者組成的片層狀珠狀組織Pearly Constituent (Howe 命名為Pearlite, 即珠光體) ; 
       (4) 石墨; 
       (5) 夾雜物。 
       他對珠光體的描述非常引人進勝, 我們把他在1886 年的論述中的一段譯出如下:“珠狀組織中的片層經常很薄, 軟的鐵片層的厚度約為1/40000 英寸, 硬物為1/80000 英寸, 因此有間距約為1/60000英寸的棱脊和溝漕交替排列。這種特殊組織的唯一能令人滿足的解釋可能就是; 在高溫時鐵與碳天生一種穩定的化合物, 在低一些溫度下不再穩定, 分解為上述兩種物質”。圖3 是索氏當年製備並觀察過的鋼樣(現在仍有一些保存在Sheffield 大學) 在1953 年拍的顯微像, 放大倍率為500 倍, 與當年索氏使用的560 倍相仿。這就是他當時看到的珠光體, 何等清楚! 

圖3 索氏當年觀察過的珠光體試樣;1953 年拍照(×500) 
        實際上, 索氏在上述有關珠光體的描述中就已經引進了高溫形成奧氏體及其在低溫轉變成珠光體的概念, 且看他的進一步論述:“除了上述特殊組織本身的意義外, 我以為它還可能闡明鋼的淬火和回火。當鋼在紅熱狀態下投進冷水中急冷, 鐵與碳在高溫天生的穩定化合物在它有足夠時間轉變之前忽然被固定下來, 保存了介於軟鐵與非常硬而脆的化合物(譯者注: 滲碳體之間的性能, 也就是說把高硬度與強度結合起來。這不但是可能的, 並且實際上很可能就是如此。再一次升溫使淬火鋼回火, 我們輕易理解上述兩個組元(譯者注: 鐵素體與碳化物) 多多少少會分離出來, 給出與緩冷後得到的相似結構。至少我以為這種觀點與我用高倍觀察不同的鋼與鐵所得的研究結果是一致的”。這裏又基本上引進了馬氏體及其在淬火中天生和回火中分解的概念。不僅如此, 他還討論了合金元素對淬火的作用。1856 年M ushet 發現在高碳鋼中加進鎢到5- 6% 就可以在空冷後得到與淬火一樣的硬度。對此索氏的觀點是:“M ushet 的空冷淬火鋼的奇異性能可能是由於鎢阻止這種常見的分解所致”。這實際上就是後來得到證實的合金元素阻止奧氏體分解從而增強淬透性的概念。 
       索氏一個人在不太長的時間裏, 作為副業(主業是地質岩相研究) , 基本上弄清楚鋼鐵的顯微組織與熱處理過程中的相變, 不能不說是一件非常偉大的成就。此外, 他還討論了晶粒、再結晶、形變中晶粒的變化等。人們把他作為金相學的奠基人是再恰當也沒有的了。

在現代煉鋼方法出現之前, 瑞典由於有高品位的鐵礦石和豐富而又價廉的森林資源, 在十八世紀時是歐洲的主要產鋼國家。另一方麵, 那時在瑞典出現了一些著名的化學家, 首先發現了鎳、鈷、錳、鉬、鎢等金屬元素。顯然, 這些化學家的研究也包括鋼與鐵, 如Bergman 首先用化學分析方法證實碳含量不同是鋼、鍛鐵和鑄鐵的主要區別。另一方麵, Rinman在1774 年在瑞典皇家科學院院報上發表了一篇題為“鐵與鋼的腐刻”的論文, 指出“不同類型的鐵與鋼的硬度、致密度、性能均勻與否等均有差異, 腐刻為區別它們提供了一種簡易的方法”。但是, 這種用化學試劑腐刻金屬顯示其內部組織的方法尚未采用製片及拋光技術, 僅限於觀察鋼鐵產品的表麵組織。

圖1 鐵隕石腐刻後直接印製的魏氏組織(1820)

Aloysvon Widmanstabtten (以下簡稱魏氏) 在1808 年首先將鐵隕石(鐵鎳合金) 切成試片, 經拋光再用硝酸水溶液腐刻, 得出圖1 的組織。鐵隕石在高溫時是奧氏體, 經過緩慢冷卻在奧氏體的{111}麵上析出粗大的鐵素體片, 無須放大, 肉眼可見。四種取向的鐵素體在圖1 中都可以觀察到, 其中三種是針狀, 夾角為60°, 另一種是片狀, 平行於紙麵。那時照像技術仍未出現, 過往都是將觀察結果描繪。魏氏在任奧地利皇家生產博物館主任之前曾從事過印刷業。他運用印刷技術, 首先用腐刻劑將鐵隕石中的鐵素體腐蝕掉, 使奧氏體凸出。拋光腐刻的鐵隕石本身就是一塊版麵, 塗上油墨, 敷上紙張, 輕施壓力, 將凸出的奧氏體印製下來, 一如我國古老的拓碑技術一樣。圖片之清楚可與近代金相照片媲美。魏氏的複製技術在那時不能不說是一種非凡的成就。

但是, 魏氏試驗的更為深遠的意義還是在科學方麵, 這不僅是宏觀或低倍觀察的開端, 也是顯微組織中取向關係研究的起始。盡管魏氏的主要試驗結果當時並未發表(直到1820 年才由其合作者發表),但已在集會上公布並廣為流傳, 鐵隕石的研究風行一時。在這之後的幾十年用各種化學試劑處理金屬切片表麵的試驗就在各處流行起來, 對宏觀金相觀察的發展有意義的幾樁工作是: (1) 1817 年J. F.Daniell 發現鉍在硝酸中浸泡數日後表麵出現立方的小蝕坑, 建立了用蝕坑法研究晶粒取向的技術。 (2) 1860 年W.Lubders 在低碳鋼拉伸試樣表麵上觀察到腐蝕程度與基體不同的條帶, 並正確解釋這不是偏析而是由於局部的不均勻切變引起的, 後來就以他的姓稱這種滑移帶為呂德斯帶。(3) 1867 年H.T resca 用氯化汞腐蝕顯示金屬部件中的流線(圖2) , 說明金屬在加工形變過程中內部金屬的活動情況。上述試驗奠定了宏觀腐刻及低倍檢驗技術, 在今天仍然是金屬研究和生產檢驗中常使用的方法。

 

圖2 金屬部件中的流線(T resca, 1867)

後來的研究指出, 魏氏組織不但在鋼中並且在很多其它合金中出現。本世紀二十年代A. Sauveur及周誌宏[6 ]研究過碳含量極低的鐵在淬火後的魏氏組織; 三十年代G. Kurdjumov 及G. Sach s 用X 射線進行了著名的馬氏體相變取向關係的試驗。在R.F. M eh l 學派(包括C. S. Barret t) 在Sauveur 和周誌宏的工作啟發下開展了一係列合金的魏氏組織的研究, 此後取向關係的測定一直是相變研究中的一個重要組成部分[7 ]。

魏氏不是冶金學家, 但是他在1808 年的著名試驗為金相學的創建起了開路的作用, 稱他是金相學的啟蒙人他是當之無愧的。

索氏固然創建了鋼鐵的金相學, 但他究竟主要是地質礦物學家而不是冶金工程師, 他在冶金界的活動範圍及影響是有一定局限性的, 因此他在1863年的傑出貢獻一直要到二十幾年後才引起冶金界的重視。在這期間, 德國的Adolf Martens (以下簡稱馬氏, 請留意這不是平爐煉鋼法發明人馬丁Martin)和法國的Floris Osmond 分別在1878 及1885 年獨立地用顯微鏡觀察鋼鐵的顯微組織。他們都是與鋼鐵生產與使用有關的工程師。馬氏在東普魯士鐵路局工作十年, 修建橋梁, 在這期間他利用業餘時間,進行鋼鐵的金相觀察。Osmond 曾在法國的著名合金鋼廠Creusot (鄧小平當年曾在這家鋼廠做工) 工作十年, 從1880 年起這個鋼廠就開始了金相檢驗。因此, 他們的金相觀察結果很快就在冶金界傳播開來, 影響深遠, 功績不亞於索氏, 在德國及法國甚至有一些學者[11, 12 ]還以為他們也是金相學的創始人。在十九世紀的六十到八十年代, 三個傑出的科學家分別在三個國家獨立地開始了鋼鐵的金相觀察, 這是那個時期鋼鐵產業大發展的必然結果, 不足為奇。

馬氏是一位嚴謹的正統金相學家, 他的哲學是金相學家的任務是改進金相試驗方法, 進行細致觀察, 認真記錄, 少做推論。他也是這樣身體力行的, 一方麵與蔡司光學儀器廠合作設計適於金相觀察的顯微鏡(這對金相技術的普及推廣起了很大的作用) ,另一方麵對鋼鐵的金相進行了大量的係統研究, 發現了低碳鋼的時效變脆現象。由於他過於誇大觀察細節, 論文有時顯得煩瑣, 在理論分析方麵建樹未幾。但是, 馬氏在改進和推廣金相技術方麵起了很大的作用。他以為對鋼鐵廠來說, 金相檢驗是最重要的檢驗方法之一, 其重要性決不亞於化學成分分析。在他的影響下, 到本世紀初不少鋼廠都有了金相檢驗室。為了紀念馬氏在改進和傳播金相技術方麵的功績,Osmond 在1895 年建議用他的姓氏命名鋼的淬火組織——Martensite, 即馬氏體。

假如說馬氏是金相技術方麵的一位先驅, 那麽Osmond 可以說是金屬學或物理冶金方麵的一位偉大科學家。首先, 在實驗技術方麵他不限於金相觀察, 而是把它與熱分析、膨脹、熱電動勢、電導等物理性能試驗結合起來。這在當時不能不說是一種創舉,把金相技術擴大到更廣泛的範疇裏往, 這在後來已成為金屬學的傳統研究方法了。其次, 在理論分析方麵他也不限於顯微組織結構, 而是把它與化學成分、溫度、性能結合在一起, 留意研究它們之間的因果關係。換句話說, 他把金相學從單純的顯微鏡觀察擴大、進步成一門新學科。從這個角度來看,Osmond的貢獻是非常卓越的。

Osmond 在實驗技術上精益求精, 圖4 是他拍攝的珠光體的高倍顯微像, 就是在今天用先進的實驗儀器與照相器材, 要達到這麽高的水平也非易事。

  圖4 116%C 鋼中的珠光體(Osmond, 1901)

圖5 冷卻曲線, 左圖是習慣作圖法, 右圖是Osmond“反冷卻速率”法, 給出明顯的轉變點在丈量冷卻曲線時, 他采用當時新發展出來的Pt-Rd 熱電偶; 在繪製曲線時, 他不用溫度(Θ)隨時間(t) 的變化, 而用溫度(Θ) 隨dt/dΘ的變化, 突出轉變點(圖5)。他在1887 年發表的“鐵、鋼與白口鑄鐵中鐵與碳的相變”一文中明顯測出三個轉變點, 即900, 750 和700℃。這就是我們今天鐵的三個轉變點:

910℃: C→A相變

768℃: 鐵磁轉變

723℃: 碳從固溶體中析出, 共析相變

後來他還發現在鎳含量高的合金鋼中γ可以保存到室溫而不轉變, 為發展奧氏體不鏽鋼指明了方向。他不但首先發現了鐵的α、β、γ三種同素異構體,後來還在“鐵的晶體學”一文(1900) 中用晶體生長形態及蝕坑證實:α、β、γ三種同素異構體都屬於立方晶係; γ生長成八麵體, 滑移麵是{111};α、β生長成立方體, 滑移麵不是{111}及{100},孿晶麵是{112}。

這與後來的X 射線結構分析完全一致, γ有麵心立方結構, α、β有體心立方結構。我們完全可以想像到, 在X 射線衍射實驗出現之前, 得出這些晶體學結論是多麽不輕易。由此也可以看出Osmond 才華橫溢, 想像力非常豐富。

順便提一句, 我們今天使用的轉變點符號都是沿用當年Osmond 用過的, 如A (法文駐點A rrestation 的第一個字母) 代表轉變點, 下標c (法文加熱chauffage 的第一個字母) 及r (法文冷卻refro idissement 的第一個字母) 分別代表升溫及降溫的轉變點。顯然, α、β、γ也是延用Osmond 的符號。

Osmond 還有謙遜的美德。一方麵不讓在他逝世的訃告中說明他在金相學方麵的業績; 另一方麵把榮譽讓給別人, 如他推崇索氏為金相學的奠基人,馬氏為偉大的金相學家, 分別用他們的姓氏命名索氏體和馬氏體。他還把他自己發現的碳在γ鐵中的固溶體命名為Austenite, 即奧氏體, 以紀念在Fe-C平衡圖方麵作出巨大貢獻的W. C. Roberts-Austen(以下簡稱奧氏)。甚至他還用物理化學家L. J.Troost (巴黎大學教授, Osmond 曾受過他的指教,但他本人從未在金相方麵做過研究) 的姓氏命名鋼中的一種共析相變組織—Troostite, 即屈氏體。

偉大的科學家也不可能是完美無瑕的。Osmond在發現β鐵後, 以為這是鋼在淬火後有很高硬度的本質。易言之, β鐵很硬, 在高溫天生後在急冷的淬火過程中被保存下來了。顯然, 這是錯誤的。但是Osmond 及奧氏, 後來還有Sauveur, 為此舌戰群儒,鬥爭非常激烈, 我們在金相學史話(2) 中將對此作專門報道。但是, 這個失誤與Osmond 的偉大貢獻相比, 隻不過是一塊美玉中的一點瑕疵罷了。

除了一百多篇論文外,Osmond 還寫了兩本有關金相的專著(1895, 1904) , 對金相學的普及推廣也起了重要的作用。到了上世紀末或本世紀初, 金相學就已經成為一門新興的學科了。下麵從幾個側麵舉例說明:

1. 學報開始出現

金相學家 M etallograph ist (1898- 1903)

國際金相學雜誌 Internat ionale Zeitsch riftfubr Metallograph ie (1911- 1918)

2. 大學中設金相學講座或教授

柏林產業大學在1910 年設金相學講座, 1919年聘請H. Hanemann 任教授, 並出版金相圖譜 Atlas Metallographicus, 影響深遠。

3. 金相學專著陸續出版

H. Beh rens: Das m ik ro skop ische Gefubge derM etalle and L egierungen (1894). F. O smond, J. E.

Stead: TheM icro scop ic A nalysis of M etals (1904).

P. Goerens: Einfubh rung der M etallograph ie ( 1906,戰後版1948).

C. H. Desch:M etallography (1910, 第六版1944).

H. M. How e:M etallography of Steel and Cast Iron (1915).

A. Sauveur: The Metallography and Heat Treatment of Iron and Steel (1916, 第六版1943).

4.Fe-C 平衡圖在1899 - 1900 問世(W. C.Roberts-A usten, H. W. Bakhuis-Roozeboom ) , 鋼鐵的相變與熱處理有了理論的指導。

5. 金相的研究從鋼鐵逐步延伸到其它合金係統中往, G. Tammann 開始按周期表係統地研究二元係合金(1903) , 把金相學進一步發展為金屬學(即M etallkunde, 俄文的Металлкпиде) , 在德國哥丁根大學建立學派, 並出版“金屬學教程”L eh rbuch derM etallkunde (1914, 第四版1932)。

金相學的誕生已經一個多世紀了, 並已成為一門成熟的學科。但是, 隨著科學技術的發展, 金相學也在不斷充實新的內容和擴大它的領域.

首先, 觀察手段的改進使金相學起了明顯的變化。光學顯微鏡固然有簡單方便的優點, 但是它的分辨率不高, 僅能觀察金相組織中幾十微米標準的細節。目前, 它的主要發展趨勢是定量金相學, 也就是把光學顯微鏡配上電子計算機, 對顯微組織的一些特征進行定量的分析。為了獲得更高的分辨率以觀察更細微的內部結構, 透射式電子顯微鏡在三十年代初研製成功, 經過半個世紀的發展, 它的分辨率已接近或達到分辨單個原子的水平。後來, 為了觀察凸凹不平的大塊試樣, 掃描電子顯微鏡又應運而生。這些電子光學儀器不但有極高的分辨率, 並且能進行微區電子衍射分析, 給出有關的晶體結構數據。不僅如此, 在配上X 射線譜儀電子能量譜儀後, 還能進行小到幾納米範圍的化學成分分析。由此可見, 這些電子光學分析儀器已經使我們對金屬的顯微組織結構的研究深進到原子的層次, 成為現代金相學研究的重要手段。現將金相學雜誌Metallography 中1982 年發表的文章按主要觀察手段及實驗方法分類如下:

光學顯微鏡:

傳統方法  5

定量金相  4

其  它  2 共11 篇

電子顯微鏡:

透射型    9

掃描型    7

電子探針  2 共18 篇

當然, 在使用電子顯微鏡為主要觀察手段的文章中也有一些用光學顯微鏡做低倍輔助觀察。但是,使用電子光學儀器進行金相研究的趨勢已經是無庸置疑的了。

其次, 隨著新材料的不斷出現, 金相學的範圍也逐漸擴大, 並滲透到其它材料領域中往, 發展成為材料科學。在半導體材料的早期發展中, 不少金相工作者參予其事。位錯等晶體缺陷的概念主要是在金屬研究中形成的, 現在不但已經是半導體等晶體材料的一項質量指標, 並也在地質礦物學中開始受到重視。G. P. 區是合金的固溶體中在予沉澱過程中天生的溶質原子偏聚區, 現在這一名詞也已在礦物研究中得到應用。合金強化也已應用到高分子材料中往。

近年來,隨著計算機技術和體視學的發展,圖像分析儀被廣泛地應用於金相分析中,使傳統的金相分析技術從定性或半定量的工作狀態逐步向定量金相分析方向發展。

材料科學是新開辟的領域, 天地寬廣, 金相工作者肯定會為此作出應有的貢獻。曆史在發展, 金相學還在前進。隨著科學技術的迅速發展, 金相學也會不斷以新的姿態出現!

    金相工作者多年來一直從金相試樣拋光表麵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足,而且均是在金相試樣拋光表麵的二維平麵上測定,其丈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,即將二維平麵上所測定的數據與金屬材料的三維空間的實際顯微組織外形、大小、數目及分布聯係起來的一門科學,並可使材料的三維空間組織外形、大小、數目及分布與其機械性能建立內在聯係,為科學地評價材料提供了可靠的分析數據。
    由於金屬材料中的顯徽組織和非金屬夾雜物等並非均勻分布,因此任何一個參數的測定都不能隻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,才能保證丈量結果的可靠性。假如僅靠人的眼睛在顯微鏡上進行目視評定,其正確性、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,可以迅速而正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,而且操縱簡便,可直接打印丈量報告,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。固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於合格與分歧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,得出正確結果,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,促進了檢測水平的進步,對於進步檢測職員的素質也是十分有益的。
    圖像分析儀的係統由金相顯徽鏡和宏觀攝像台組成的光學成像係統,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金相試樣進行定量金相分析;宏觀攝像台適用於分析金相照片、底片及實物等。
    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,矩中每個元素對應於圖像中一像素點,aij的值即表示圖像中屬於第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係統後在CCD上成像並由CCD實現光電轉換和掃描,然後作為圖像信號取出,由放大器進行放大,並量化成灰度級以後貯存起來,從而得到數字圖像。
    計算機根據數字圖像中需丈量特征的灰度值範圍,設定灰度值閾值T。對於數字圖像中任何一個像素點,若其灰度大於或即是T,則用白色(灰度值255)來代替它原來的灰度;若小於T則用玄色(灰度值0)來代替原來的灰度,可以把灰度圖像轉化為隻有黑、白兩種灰度的二值圖像,然後再對圖像進行必要的處理,使計算性能方便對二值圖像進行粒子計數、麵積、周長丈量等圖像分析工作。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四周環境或其他細節易於識別,從而改善圖像,更利於計算機處理多特征物圖像。
 
    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。
  • 丈量:包括特征物統計,對其周長、麵積、X/Y投影、軸長、取向角等參數進行統計丈量。
  • 數據輸出。
    圖像分析儀在金相分析中的應用簡介:
  • 晶粒度測定
    丈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,即麵積法和截點法(仲裁方法),固然可獲得正確的丈量結果,但這兩種方法使用起來很不方便,其繁瑣程度令人看而生畏。假如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丈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-所使用的丈量網格長度(mm)M-觀察用的放大倍數< N-丈量網格L上的截點數L、M為已知數,隻需測得N,圖像分析儀就可以得出晶粒度級別。在實測工作時,由於晶粒內部可能存在各種析出物以及因腐蝕控製不當而造成晶界斷裂,給正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,往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。
  • 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,並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餘奧氏體含量;高磷閘瓦中的磷共晶含量;鑄造鋁合金中的共晶矽含量,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,並與其機械性能對照,可深進研究顯微組織與機械性能之間的定量對應關係。
  • 鍍層厚度測定
    由於鍍層下基體材料表麵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丈量誤差,圖像分析儀在丈量鍍層時,首先在顯示鍍層截麵形貌的屏幕上劃很多條相互平行且垂直於鍍層表麵、並橫貫鍍層的直線,這樣每一條直線均能測出一鍍層厚度數據,然後將這些數據進行處理,便得到鍍層的均勻厚度、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,則取其橫截麵圖像,從它的圓心出發呈不同角度沿徑向劃很多直線,同樣可測得。
  • 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,然後在屏幕上劃一條平行於表麵並可移動的直線,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,該直線距表麵的間隔即為脫碳層或滲碳層深度。
  • 測定非金屬夾雜物
    圖像分析儀用於分析非金屬夾雜物,主要在兩方麵:其一為測定非金屬夾雜物的數目、形態、尺寸、分布等參數,研究夾雜物與機械性能(特別是疲憊性能)之間的定量關係;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、生產效率高及本錢低等特點,但由於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目、形態、尺寸、分布等方麵與雙渣法冶煉的鑄鋼是否存在較大差異,並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題目開展了研究,從兩種工藝冶煉的鑄鋼件中各取12隻試樣(取自4個爐次),每個試樣丈量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目、形態、顆粒尺寸、分散度和均勻間距等方麵基本上趨於一致;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製適當,其鑄鋼中非金屬夾雜物並不會增多。
    根據GB10561《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》標準編製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類一矽酸鹽類、D類一球狀氧化物類)進行分類,然後參照標準予以評級。
  • 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,計算法則用於仲裁,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麵積率(石墨實際麵積與其最小外接圓麵積之比),然後換算成每顆石墨的外形係數,再按標準中的公式計算該視場的球化率。
  • 斷口分形研究
      Mandlbrot等人於1984年首次將分形幾何應用於研究材料的衝擊斷口,發現馬氏體時效鋼的衝擊功隨其斷口的分形維數Df值增加而呈線性減少。此後,分形幾何便進進材料的研究領域。
    分形維數Df的測定方法為首先在斷口上鍍一層鎳,在細砂紙上沿平行斷口表麵輕輕磨往一層,然後仔細拋光,突出被磨光的部位在顯微鏡觀察呈亮色,稱為“島”,未磨到的凹下鍍鎳部分呈暗色,稱為“湖”。用圖像分析儀丈量每個“湖中之島”的周長和麵積,每個試樣斷口上分別測10至14個視場,將測得的一係列周長和麵積輸進計算機,打印出周長和麵積的雙對數圖及線性回回直線的斜率,回回直線斜率的兩倍便是分形維數Df。分形維數與材料的顯微組織、斷裂性能、疲憊門檻值等有著密切的關係,應用圖像分析儀通過剖麵小島法丈量斷口的分形維數,可定量描述材料斷口特征、研究和推斷材料力學性能。
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