镁、铝合金半固态金相组织分析软件的开发
华中科技大学 吴雪平X 吴树森 毛有武 宋象军 罗吉荣
摘 要 在OpenGL 图形环境下开发出半固态金属金相组织的计算机分析软件。该软件能分析半固态金属金相组织中的固相组分及晶粒尺寸。并具有识别效果好、适应性强、运行速度快、操作简易等特点,已成功地用于镁合金半固态组织的
分析。
关键词: 半固态Mg 合金 分析软件 固相组分 晶粒尺寸
在镁合金或铝合金的半固态成形技术研究中,非枝晶组织分数与晶粒尺寸是两项衡量半固态制备工艺效果的重要参数,也是间接表征材料性能的重要指标。人工目测虽能区分金相照片中的固相组分,但无法准确估计固相分数。随着计算机技术的飞速发展,利用计算机来分析金相组织已成为可能。如果将人工初步目测的固相组织交给计算机计算,就能大大提高识别精度。本文基于这种思想开发了一套半固态金相组织计算机分析软件。
1 系统工作原理
系统由三大部分组成:图像采集、图像识别、结果输出。图像采集可以使用数码相机对试样照相后将数据输入计算机中,也可以将金相照片通过扫描仪扫描后输入计算机中。图像识别采用人机交互的方法,首先对组织图像金相照片进行人工目测,分辨图中的半固态固相组织,利用软件提供的工具将半固态组织的颜色范围选取出来,计算机根据该颜色范围从图中筛选出半固态非枝晶组织,并计算半固态组织固相率与晶粒尺寸。结果输出部分将金相图片与计算结果在计算机屏幕上显示出来或打印输出。系统流程如图1 所示。
图1 系统流程图
1. 1 图像数据采集
将金相图照片输入计算机后,由于金相照片一般为黑白灰度照片,为了加快处理速度,可用GrayScale 模式(灰度模式) 存储像素。以GrayScale 模式存储像素时,每个像素点只占一个字节,取值范围为[0 ,255 ]之间的整数,当像素点取值越大,其亮度值越高,整幅图片最多可分为256 个灰度等级。
1. 2 固相组织筛选
半固态金相照片中,不同组分有较明显的颜色差别,若由人工借助软件工具目测选取出固相组织的颜色范围为[C1 , C2 ] ,则由计算机根据[C1 , C2 ]从图像数据中筛选出半固态组织。为了对比显示筛选效果,将原图与筛选后的图像同时显示出来。实际应用中发现,并非所有筛选出来的像素都为半固态组织。有些非半固态组织由于颜色处于[C1 , C2 ]范围而被选取,而有些半固态组织由于照片亮度不均等原因使其颜色值处于[C1 ,C2]之外而被过滤,对于这种情况可进行过滤校正处理。为了滤去细小分散的非半固态组织,设定一个尺寸阀值D ≥0 ,如果某一亮点的尺寸小于D ,则该亮点被过滤。对于少量尺寸较大的非半固态组织与被滤去的半固态组织可运用软件提供的工具进行人工修正。经过校正后固相率为:剩余像素个数/ 总的像素个数。
1. 3 晶粒尺寸计算
经过颜色过滤后,剩余半固态组织为孤立的白色团球状亮块。为了统计过滤后的图片中所有团球大小,对图片从左下角开始由下至上由左至右逐行扫描。当扫描到团球中的第一个像素时,给该团球一个编号,并从第一个像素开始逐行扫描该团球中所有像素。
如图2 所示虚线圈内为一团状非枝晶固相组织,当扫描到像素1 时,给该团球编号为i ,从像素1 开始向上逐行扫描,依次得到团球中2 至9 像素,并记录该团球包含的像素个数。
图2 编号为i 的团球中的像素
由于计算机中晶粒的尺寸单位为像素,为了将像素转化为实际尺寸,必须知道缩放倍数。设a 为金相照片放大倍数、b 为扫描缩放倍数,则总缩放参数c 为a ×b ,则平均晶粒尺寸为: c ×所有晶粒像素之和/ 晶粒个数。
2 软件编制
软件的界面如图3 所示,左边为原始金相照片,右边为筛选后的金相照片。该软件在VisualC + + 6. 0 环境中采用OpenGL 图形API 接口编程。软件有两个主要模块,过滤计算模块与图形显示模块。
图3 软件界面
过滤计算模块负责对图片数据进行过滤处理。程序首先将图片文件读入内存,并将数据做一备份用以保存原图, 然后对数据进行处理。图形显示模块凭借OpenGL 高性能图形处理能力,能快速地将图片与计算结果显示出来。用户可以框选原始图片中的任意区域进行分析,并可对图片任意缩放。使用软件提供的工具,用户能够方便地挑选出固相组织的颜色区间,并能快速修正筛选结果。
3 应用举例
该系统已经应用于镁合金半固态的金相分析中,实践证明该系统能很好地分析镁合金半固态金相组织非枝晶固相率及晶粒尺寸。如图3 所示为采用流变压铸法制备的AZ91D 镁合金半固态金相组织图,金相照片放大100 倍,扫描比例1∶1 ,图中白色球状部分为初生α-Mg 非枝晶组织,黑色部分为基体组织。经分析固相率为53 % ,平均晶粒尺寸为52μm。
图4 镁合金半固态组织分析
图4 所示为采用同样的方法制备而工艺参数变化后的镁合金半固态组织,利用该软件分析表明,此时半固态组织固相率为21 % ,平均晶粒尺寸为30μm。
该系统还可应用于铝硅合金的金相分析中,如分析组织中初晶硅与共晶硅的固相率,以及初晶硅颗粒平均尺寸。本软件也可以用于复合材料中增强相的统计与分析,如可分析SiC/ Al2Si 等颗粒增强复合材料中SiC 颗粒的固相率及尺寸大小。