CN106153635B - 一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法 - Google Patents

一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，包括步骤如下：用光学显微镜附带的摄像头按顺序连续无遗漏且有重叠地对整个抛光面采集图像；拼图，处理重叠，得到整个待检截面的拼接图像；在Photoshop软件新建的图层中用魔棒工具点选出每一个缺陷的区域，将整个截面上的所有缺陷保存在同一个图像中；图像中所有缺陷分析汇总计算。该方法处理过程更简便，并可更准确地提取缺陷，提高定量检测结果的准确性，不仅有再现性，并且通用性更强。

Description

一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法
技术领域
本发明涉及一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，属于材料物理性质定量检测技术领域。
背景技术
镁合金是目前世界实际应用中比重最轻的金属结构材料，具有储量丰富、密度小、比强度和比刚度高、抗冲击、产品易回收等特性，是理想的节能环保材料，符合可持续发展要求，是继钢铁和铝合金材料之后的第三大工程材料，在航空、军事、汽车及3C等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
镁及镁合金在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，在铸件最后凝固的部位形成大而集中的缩孔或小而分散的缩松。在熔炼前使用了潮湿、有锈蚀、油污的镁及镁合金炉料、在熔炼过程中高温的镁及镁合金熔体与周围气氛、铸型相互作用，以及气体在镁及镁合金熔体中的溶解度随温度的降低而降低等因素导致气孔和非金属夹杂物产生。缩孔、缩松、气孔和非金属夹杂物等缺陷的存在，会减少铸件的有效受力面积，并产生应力集中现象，不仅降低铸件的机械性能，还降低铸件的气密性和物理化学性能。镁及镁合金铸件的使用性能与缺陷的含量、形貌、尺寸和分布紧密相关，因此，定量检测缺陷是镁及镁合金材料金相检测的重要内容。
金相法是目前常用的镁及镁合金中缺陷的定量检测方法。1961年Hans Elias提出定量体视学概念，前苏联和美国的许多学者根据体视学原理建立了一整套方法，可从显微图像上实际测得的二维特征参数，推导出各种三维特征参数。体视学基于统计意义上的大量多次检测，具体操作时需要划分网格，对待测物相与网格的交截情况进行统计。起初采用金相目测法，该方法包括2大部分：图像采集和定量分析。在图像采集方面，主要是运用带有照相功能的显微镜，将显微组织照片冲洗出来，形成纸质图像；在定量分析方面，常用的方法有评级比较法、截点法和面积法。评级比较法是通过将待测样品的图样与标准评级图对比进行评定，这种评定方法操作简便快捷，是目前生产中应用最多的一种方法，但测量精度不高，只能达到半定量的程度。截点法是辅以给定长度的测量线段或网格，利用待测目标相与这些线段或网格的相交截点数进行定量计算，截点法又可分为直线截点法、单圆截点法和三圆截点法。面积法是以给定面积内的晶粒数来测量待测目标相尺寸的方法。金相目测法，主要靠手工计算，数学处理过程复杂，工作量大，其准确性、一致性、重复性及检测速度都很差，无法达到预期的目的，有些工作甚至因工作量太大而无法进行。
随着计算机软件技术和数字图像处理技术的发展，为图像自动分析系统提供了重要的技术支持，产生了基于图像处理的定量金相法。该方法包括3大部分：图像采集、图像处理和定量分析。在图像采用方面，主要是采用有存储功能的显微镜，将显微组织照片保存为数字图像。图像处理方面，主要是利用一些软件，如Image-Pro Plus(IPP)、Siscias V8.0、Micro-image Analysis&Process System(MIAPS)、Quantimet 500等提取待测目标相。准确提取待测目标相，是得到可靠定量金相结果的前提，也是基于图像处理的定量金相法所要解决的关键技术。定量分析方面，定量分析的内容和方法与金相目测法相同，只不过利用相关软件，使得定量分析的工作量大大减轻。基于图像处理的定量金相法和金相目测法，在做定量金相分析时，检测面积非常有限，检测结果只能代表非常有限的检测区域内缺陷的含量、形貌、尺寸和分布，检测结果不够准确。
专利CN1651905A，公开了一种钢中非金属夹杂物定量分析方法，该方法的流程为【采集单个图像→提取单个图像的缺陷→单个图像的缺陷分析】→重复前述步骤→所有图像的缺陷分析汇总→生成报告，缺陷提取采用灰度阈值提取。其特征在于，它将金相显微镜、自动载物台与摄像机、计算机连接，由摄像机从金相显微镜中采集夹杂物图像送入计算机进行图像处理，实现对夹杂物的识别以及参数测量，将测量结果用定量模型计算或与标准图谱对比分析，给出定量评定结果，可以实现整个待测面的检测。该种方法依据代表当今夹杂物检验标准的最高水平的国家标准(GB、ASTM、JIS、DIN、ISO等)进行缺陷分析。而这些标准进行缺陷分析时，本身有一定的适用范围，其适用范围为压缩比大于或等于3的轧制或锻制钢材中的非金属夹杂物的显微评定方法，通用性不强；这种方法广泛用于对给定用途钢适应性的评估，但是，由于受试验人员的影响，即使采用大量试样也很难再现试验结果，再现性差；虽然可以实现整个待测面的检测，但在检测过程中，需要对采集的每张图像进行处理，提取待测目标相，过程相当繁琐；再者提取缺陷的方法，同常规的基于图像处理的定量金相法相同，也是通过对图像进行亮度、色度、饱和度、对比度等的调节，用灰度阈值分割法和聚类技术提取，准确度有待提高。因此简便、准确地提取目标相仍是该法需要解决的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，该方法处理过程更简便，并可更准确地提取缺陷，提高定量检测结果的准确性。
本发明采取的技术方案为：
一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，包括步骤如下：
(1)采集全部图像：将待检截面依次用80#、240#、800#、1500#、4000#号耐水砂纸磨平后抛光，用光学显微镜附带的摄像头按顺序连续无遗漏且有重叠地对整个抛光面采集图像；
(2)拼图：用Photoshop软件或具有拼图功能的其它软件按顺序依次拼接，处理重叠，得到整个待检截面的拼接图像；
(3)提取整个待检面的全部的缺陷：在光学显微镜下观察，光线在光滑致密的基体和第二相处发生折射，呈亮色和灰色，而光线在缺陷处会发生散射呈黑色，只是缩孔和有些非金属夹杂物的黑色区域尺寸较大，缩松、气孔和有些非金属夹杂物的黑色区域尺寸较小呈分散状态，在Photoshop软件新建的图层中用魔棒工具点选出每一个缺陷的区域，将整个截面上的所有缺陷保存在同一个图像中，得到仅含有缺陷大小、形貌、分布的截面图像；
(4)图像中所有缺陷分析汇总计算：用IPP软件打开保存的图像文件，对缺陷进行统计并对整个检测截面的总面积进行计算；将统计结果输出到Excel软件中进行定量处理，得到每个缺陷的尺寸信息、所有缺陷的统计信息，缺陷的总面积与整个检测截面的总面积之比即为缺陷的含量。
上述检测方法中，步骤(2)所述的处理重叠，方法为：拼图时，成功置入第一幅图像后，选中要置入的第二幅图像，将该图层的不透明度设为30～80％，移动待置入的第二幅图像，使与第一幅图像有重叠的部分完全重叠，此时可形成清晰的两张图像的拼接图像，回车确定置入，再将该图层的不透明度设为100％，完成两张图像的拼接和匹配，重复上述步骤，可实现整个待检截面的拼接和匹配。
步骤(4)所述的每个缺陷的尺寸信息包括缺陷的面积、最大直径和平均直径；所述的所有缺陷的统计信息包括：总面积、最大面积、最小面积、平均面积、面积分布、等效圆直径、最大最大直径、最小最大直径、平均最大直径、最大直径分布、最大平均直径、最小平均直径、平均平均直径以及平均直径分布。
步骤(4)中缺陷尺寸计算与实际尺寸换算的实现步骤是：
a.取像拍照时，用光学显微镜附带的图像处理软件叠加标尺；
b.定量计算和统计结果处理之前，要将IPP软件中的像素单位转换成长度单位，将IPP软件中的像素单位转换成长度单位的方法是，在IPP软件中放大拼接图像，使图像中标尺的长度占据电脑屏幕长度的2/3以上，测量标尺长度，得到标尺实际长度的像素值，通过换算得到每个像素单位所表示的实际长度；
c.将定量计算和统计结果导出到EXCEL文件中，将用像素单位表示的定量计算和统计结果转换成实际长度单位，得到每个缺陷的面积、最大直径、平均直径和整个待检截面的实际面积。
在同一个图像中统计缺陷的操作步骤为：①打开图像：在IPP软件中打开步骤(3)保存的缺陷图像；②二值化处理：二值化处理后得到缺陷的明显图像；③参数设置：以提取的缺陷为测量对象，将面积、最大直径、平均直径设置为自动测量参数；④测量：点击测量，软件自动并同时测量出图像中每个缺陷的面积、最大直径和平均直径；⑤结果输出：a.每个缺陷信息的结果系统会生成一个Excel文件，内含用像素单位来表示的每个缺陷的面积、最大直径、平均直径；b.所有缺陷统计结果的输出：计算含有缺陷的个数以及用像素单位表示的所有缺陷的统计信息，如总面积、最大面积、最小面积、平均面积、最大最大直径、最小最大直径、平均最大直径、最大平均直径、最小平均直径、平均平均直径等；缺陷总面积与整个检测截面的总面积之比即为缺陷面积百分比。依据体视学原理，由金相试样磨面上测量和计算出的二维参量来确定三维空间中物相体积百分数，即：VV＝AA＝LL＝PP，式中：VV为待测物相体积百分比；AA为待测物相面积百分比；LL为待测物相线百分比；PP为待测物相点百分比，这个公式是将材料显微组织的二维特征转化为材料显微组织三维真实形貌的方法。缺陷的面积百分比，也是缺陷的体积百分比，也就是缺陷的实际含量。
本发明的有益效果是：
本发明通过拼图步骤实现同图提取，过程更简单，用Photoshop软件中的魔棒工具点选，可准确、较快速地提取缺陷。缺陷保存在同一个图像中，不用分别提取分别计算，通过软件直接进行定量分析，无需标准图谱数据库，不受数据库的限制。
本发明定量分析的内容，不仅可计算面积百分含量，还可得到缺陷在整个截面的形貌、分布，每个缺陷的信息(缺陷的面积、最大直径、平均直径)和所有缺陷的信息(总面积、最大面积、最小面积、平均面积、面积分布、等效圆直径、最大最大直径、最小最大直径、平均最大直径、最大直径分布、最大平均直径、最小平均直径、平均平均直径、平均直径分布)。检测内容更丰富。
本发明方法可以检测镁及镁合金材料中的非金属夹杂物、缩孔、缩松、气孔等多种缺陷，更加全面，可自动采集，也可手动采集，不受设备条件限制，检测不受材料制备条件的限制，可以是铸件、热处理件、轧制件、锻件、挤压件等各种固态形式的镁或镁合金材料。不仅有再现性，并且通用性更强。
本发明提供了图像采集、拼接方法，将图像处理和数据处理软件应用于镁及镁合金中缺陷的含量、形貌、尺寸和分布的定量检测中，可得到更准确的缺陷检测结果。可以实现整个待检截面缺陷的含量、形貌、尺寸和分布定量检测，检测结果更准确。
附图说明
图1为实施例1的拼接图像；
图2为实施例1提取的含有缺陷大小、形貌、分布的图像；
图3实施例1二值化后的缺陷图像；
图4为实施例1所有缺陷的面积分布图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
实施例1
以下通过实施例并结合附图对本发明做进一步详细描述。
对化学成分如表1的AZ91D镁合金铸态拉伸试棒进行缺陷的定量检测。
表1AZ91D镁合金的化学成分(wt.％)
Al Zn Mn Si Fe Ni Cu Mg
8.98 0.54 0.17 0.01 <0.002 <0.002 <0.002 Bal.
以缺陷的面积为例，定量检测方法如下：
在拉伸试棒断口附近截取长约5mm的AZ91D镁合金试样，待检截面距断口约5mm，镶嵌后依次用80#、240#、800#、1500#、4000#号耐水砂纸磨平并抛光；在显微镜下观察：亮色为镁合金基体，黑色为缩孔、缩松、气孔、非金属夹杂物等缺陷；用显微镜附带的摄像头按顺序连续无遗漏且有重叠地对整个抛光面采集图像，用Photoshop软件按顺序依次拼接，得到整个待检截面的如图1所示的拼接图像；拼图步骤：
(1)打开Photoshop软件，打开任一待拼图的图像，查看画布大小。
(2)在Photoshop软件中新建文件，设置画布尺寸。画布尺寸由待拼接图像的画布大小和数量决定。
(3)在“文件”下拉菜单中选择“置入”命令，出现“置入”命令的对话框，选择要拼接的第一幅图像，放在画布的合适位置，按回车键，成功置入第一幅图像。重复上述步骤，置入第二幅、每三幅、……，直到置入整个待检截面上的所有图像，得到整个待检截面的拼接图像。
处理重叠保证匹配度的步骤是：
(1)采集图像时，是顺序连续无遗漏且有重叠地对整个抛光面进行采集，采集的图像依次进行编号。
(2)拼图时，成功置入第一幅图像后，选中要置入的第二幅图像，在回车确定置入之前，将该图层的不透明度设为30～80％，移动待置入的第二幅图像，使与第一幅图像有重叠的部分完全重叠，此时可形成清晰的两张图像的拼接图像，回车确定置入，再将该图层的不透明度设为100％，完成两张图像的拼接和匹配。重复上述步骤，可实现整个待检截面的拼接和匹配。
在Photoshop软件中打开拼接图像，在新建图层中用软件中的魔棒工具点选出每一个缺陷的区域，保存为如图2所示的仅含有缺陷大小、形貌、分布的截面图像文件。
用IPP软件打开含有缺陷大小、形貌、分布的图像文件，对缺陷面积进行统计并对整个检测截面的总面积进行计算，将统计结果输出到Excel软件中进行定量处理，得到每个缺陷的面积、所有缺陷的面积统计信息(见表2)，缺陷的总面积除以整个检测截面的总面积，得到缺陷的含量为0.034％。
缺陷尺寸计算的实现步骤是：
(1)取像拍照时，用光学显微镜附带的图像处理软件叠加标尺；
(2)定量计算和统计结果处理之前，要将IPP软件中的像素单位转换成长度单位，将IPP软件中的像素单位转换成长度单位的方法是，在IPP软件中放大拼接图像，使图像中标尺的长度占据电脑屏幕长度的2/3以上，测量标尺长度，得到标尺实际长度的像素值，得到每个像素单位所表示的实际长度；
(3)将定量计算和统计结果导出到EXCEL文件中，将用像素单位表示的定量计算和统计结果转换成实际长度单位，得到每个缺陷的面积和整个待检截面的实际面积。
依据体视学原理，由金相试样磨面上测量和计算出的二维参量来确定三维空间中物相体积百分数，即：VV＝AA＝LL＝PP，式中：VV为待测物相体积百分比；AA为待测物相面积百分比；LL为待测物相线百分比；PP为待测物相点百分比。缺陷总面积与整个检测截面的总面积之比即为缺陷实际含量。
在同一个图像中统计缺陷的步骤为：①打开图像：在IPP软件中打开如图2所示的缺陷图像，图中黑色点状物为缺陷；②二值化处理：二值化处理后得到如图3所示的缺陷图像，图中亮色点状物为缺陷；③参数选择：在“Measure(测量)”下拉菜单中选择“Count/Size(计算/尺寸)”，在弹出的对话框中进行如下设置：Select Measurements(选择测量)：Area(面积)、Diameter(max)(最大直径)、Diameter(mean)(平均直径)，点选Automatic BrightObjects(自动测量亮对象)；④测量：“Count/Size(计算/尺寸)”弹出对话框中点击“Count(计算)”，软件自动并同时测量出每个缺陷的面积、最大直径和平均直径；⑤结果输出：a.每个缺陷信息的结果输出：在“Count/Size(计算/尺寸)”弹出对话框中的“File(文件)”下拉菜单中选择“Export Data(结果输出)”，系统会生成一个Excel文件，内含用像素单位来表示的每个缺陷的面积、最大直径、平均直径；b.所有缺陷统计结果的输出：在“Count/Size(计算/尺寸)”弹出对话框中的“View”下拉菜单中选择“Statistics(统计)”，会弹出对话框，对话框中含有缺陷的个数以及用像素单位表示的所有缺陷的统计信息，如总面积、最大面积、最小面积、平均面积、最大最大直径、最小最大直径、平均最大直径、最大平均直径、最小平均直径、平均平均直径等。
将所有缺陷按面积大小排序，分成8个区间，统计每个区间内所含缺陷的个数，用每个区间内所含缺陷的个数占总个数的比值作纵坐标，以每个区间的面积中值作横坐标，用Origin软件作图，得到缺陷相的面积分布图(见图4)，拟合面积分布图得到缺陷的面积分布解析式：
表2缺陷的面积统计信息和含有缺陷的图像的总面积(面积单位：μm2)
统计数量 最小面积 最大面积 平均面积 缺陷总面积 含有缺陷的图像的总面积
62个 1.10 2074.50 165.88 10284.81 30270648.28
以上是结合具体实施例对本发明的详细介绍，本发明的保护范围不限于此。

Claims (4)

1.一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，其特征是，包括步骤如下：
(1)采集全部图像：将待检截面用耐水砂纸磨平后抛光，用光学显微镜附带的摄像头按顺序连续无遗漏且有重叠地对整个抛光面采集图像；
(2)拼图：用Photoshop软件或具有拼图功能的其它软件按顺序依次拼接，处理重叠，得到整个待检截面的拼接图像；所述的处理重叠方法为：拼图时，成功置入第一幅图像后，选中要置入的第二幅图像，将该图层的不透明度设为30～80％，移动待置入的第二幅图像，使与第一幅图像有重叠的部分完全重叠，此时可形成清晰的两张图像的拼接图像，回车确定置入，再将该图层的不透明度设为100％，完成两张图像的拼接和匹配，重复上述步骤，可实现整个待检截面的拼接和匹配；
(3)提取整个待检面的全部的缺陷：在光学显微镜下光线在缺陷处会发生散射呈黑色，只是有的黑色区域尺寸较大，有的黑色区域尺寸较小呈分散状态，在Photoshop软件新建的图层中用魔棒工具点选出每一个缺陷的区域，将整个截面上的所有缺陷保存在同一个图像中，得到仅含有缺陷大小、形貌、分布的截面图像；
(4)图像中所有缺陷分析汇总计算：用IPP软件打开保存的图像文件，对缺陷进行统计并对整个检测截面的总面积进行计算；将统计结果输出到Excel软件中进行定量处理，得到每个缺陷的尺寸信息、所有缺陷的统计信息，缺陷的总面积与整个检测截面的总面积之比即为缺陷的含量；所述的每个缺陷的尺寸信息包括缺陷的面积、最大直径和平均直径；所述的所有缺陷的统计信息包括：总面积、最大面积、最小面积、平均面积、面积分布、等效圆直径、最大最大直径、最小最大直径、平均最大直径、最大直径分布、最大平均直径、最小平均直径、平均平均直径以及平均直径分布。
2.根据权利要求1所述的一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，其特征是，步骤(4)中缺陷尺寸计算与实际尺寸换算的实现步骤是：
a.取像拍照时，用光学显微镜附带的图像处理软件叠加标尺；
b.定量计算和统计结果处理之前，要将IPP软件中的像素单位转换成长度单位；将IPP软件中的像素单位转换成长度单位的方法是，在IPP软件中放大拼接图像，使图像中标尺的长度占据电脑屏幕长度的2/3以上，测量标尺长度，得到标尺实际长度的像素值，通过换算得到每个像素单位所表示的实际长度；
c.将定量计算和统计结果导出到EXCEL文件中，将用像素单位表示的定量计算和统计结果转换成实际长度单位，得到每个缺陷的面积、最大直径、平均直径和整个待检截面的实际面积。
3.根据权利要求1所述的一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，其特征是，步骤(4)在同一个图像中统计缺陷的步骤为：①打开图像：在IPP软件中打开步骤(3)保存的缺陷图像；②二值化处理：二值化处理后得到缺陷的明显图像；③参数设置：以提取的缺陷为测量对象，将面积、最大直径、平均直径设置为自动测量参数；④测量：点击测量，软件自动并同时测量出图像中每个缺陷的面积、最大直径和平均直径；⑤结果输出：a.每个缺陷信息的结果系统会生成一个Excel文件，内含用像素单位来表示的每个缺陷的面积、最大直径、平均直径；b.所有缺陷统计结果的输出：计算含有缺陷的个数以及用像素单位表示的所有缺陷的统计信息；缺陷总面积与整个检测截面的总面积之比即为缺陷面积百分比。
4.根据权利要求1所述的一种镁及镁合金中缺陷的定量检测方法，其特征是，步骤(1)待检截面依次用80#、240#、800#、1500#、4000#号耐水砂纸磨平。
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