铜合金中金相组织特征参数的测量
wbf_512(2010-09-27 11:49:29)
帅歌旺,张萌
(南昌大学材料科学与工程学院,江西南昌330047)
摘要:根据体视学和定量金相分析的基本原理,利用Image-ProPlus(IPP)图像分析软件测定了铜合金金相组织的相体积分数、晶粒度大小、粒子间距等特征参数,并提出了一种测量粒子间距的近似算法。
关键词:定量金相分析;铜合金;特征参数
铜及铜合金由于具有优异的性能,一直是现代工业中用途广泛的重要的有色金属材料。
通过金相检验可以了解材料的组织结构,认识显微组织对材料物理、化学、机械等性能的影响。
因此,金相分析是一种控制产品质量的重要措施。
但迄今有关铜合金的定量金相分析工作远远落后于钢铁材料,既无大量的数据积累,也没有针对性的分析方法。
为此,本文利用IPP(Image-ProPlus图象分析软件)强大的图像处理功能,初步研究开发了针对铜合金组织中诸如相体积分数、晶粒度大小、粒子间距等特征参数的分析测试方法,效果良好。
1体视学基本符号和公式
为叙述方便,下面给出本文涉及到的常用体视学符号和基本公式:
符号:AA--面积分数,单位面积测量体上被测对象的面积
PV--被测对象的点数/测量体的总体积
Vv--体积分数,单位测量体上被测对象的体积
Ww--重量分数,单位重量测量体上被测对象的重量
ρα--被测量相(组织)的比重
ρT--整个合金的比重
基本公式:VV=AA=LL=PP(1)
Ww=Vvρα/ρT(2)
2测量方法
定量金相分析工作包括金相试样制备、图像摄取、图像处理、定量分析等几个步骤。
整个系统如图1所示:
图1定量金相分析系统
计算机通过控制数码相机摄取图像数据,经处理后结果在打印机上输出。
2.1图像摄取
磨制好的金相试样在MeF3型金相显微镜下进行观察,选定待测视场后,通过SVMICROTM型全自动数码相机将图像传送到计算机,金相观察可在计算机监视屏和显微镜上同步动态显示。
选取欲分析区域后进行拍摄,图像直接输入计算机进行处理,整个过程方便、快捷。
2.2图像处理
定量金相分析需要图像轮廓清晰,不同特征物间“,灰度”相差大,即反差大。
而相同物间“,灰度”又应尽量接近,如此测试的结果才准确、可靠。
因此原始图像必须经过预处理,IPP软件提供了亮度、对比度及多达几十种滤镜工具,可以得到利于计算的理想图像。
1.3定量金相分析
IPP软件提供了Count、Measurement等基本计算工具,同时还提供了强大的宏编辑器,软件有了再开发的空间。
本文观察了一系列铜合金的金相组织,利用IPP软件提出了相体积分数、粒子间距、晶粒尺寸等基本特征参数的测量方法。
3特征参数测量
铜合金组织较为复杂,不同合金系其组织特征大为不同。
合金组织中相的存在形式可以是粗大连续的组成相,也可以细小、弥散分布的第二相形式析出,甚至仅以单相固溶体构成。
为使测量具有代表性,选取了三种典型的二元铜合金分别进行了合金组织体积分数、第二相粒子间距及晶粒度的测量。
3.1相(组织)体积分数和重量分数的测定
相(组织)体积分数可以通过测量视场中各金相组织的面积求得。
因为不同的组织对光的反射本领不同,在黑白金相图像上就表现为灰阶级别的差异,通过手工或自动设定灰阶界限,将不同的相(组织)区分开来,并算出每一相(组织)的面积,将之与图像总面积相除,即可得到AA,根据体视学基本公式:Vv=AA,得到相的体积分数。
如果需要知道相的重量百分比,可通过公式(2)Ww=Vvρα/ρT求得,其中ρα为被测量相(组织)的比重,ρT为整个合金的比重。
我们采用真空熔铸制备了Cu-10%La和Cu-10%Y两种中间合金。
中间合金是制备后续各种不同成分合金的关键配料,为此,要求能保证稳定正确的工艺,准确的成分。
下面以Cu-La合金为例,讨论本实验中所采用的测算方法。
根据Cu-La合金相图(图2),由杠杆定理,可计算出含(0-35)wt%Cu的Cu-La合金常温下初晶α和共晶组织的体积分数:
(VV)α=WαρT/ρα(3)
(VV)eut=WeutρT/ρeut(4)
(VV)α/(VV)eut=Wαρeut/Weutρα(5)
其中ρeut=ρCu20/35+ρCu4La15/35(6)
Cu4La比重未知,我们按其化学组成近似求得,即
ρCu4La=ρCu×65%+ρLa×35%(7)
由(VV)α+(VV)eut=1,结合式(5),可得(VV)α,(VV)eut。
若已知初晶α和共晶组织的体积分数(VV)α、(VV)eut,则可反过来计算合金中各元素的质量百分比,仍以Cu-La合金为例,计算其中Cu组元的质量百分比,过程如下:
由相图可知,含(0-35)wt%Cu的Cu-La合金组织均由初生α铜和(Cu+Cu4La)共晶体组成,则
WCu=WCu(α)+WCu(eut)=Wα+WeutWCu/eut=(VV)αρα/ρT+(VV)eutρeutWCu/eut/ρT(8)
ρT=(VV)αρα+(VV)eutρeut(9)
式中WCu(eut)——共晶体中Cu占整个合金质量分数
Weut——共晶体占整个合金质量分数
WCu/eut——共晶体中Cu所占质量分数
由相图可知,WCu/eut=85%,ρeut由式(6)求得,代入式(9)即可算出WCu。
图2Cu-La相图富Cu部分
图3Cu-10%La合金金相图图4Cu-10%Y合金金相图
图3为Cu-10%La中间合金金相组织,由白色初生α粗枝状晶、灰色Cu和CuRE金属间化合物共晶组织组成。
由于两种组织具有不同的灰度级别,通过手工设定不同灰度级别范围进行辨别。
采用上述方法计算了该合金中的相体积分数、Cu组元质量分数,如表1所示,对Cu-10%Y合金的金相组织照片(见图4)也进行了同样的处理和计算,结果示于表1:
从表1可以看出,理论值与实测值吻合很好,可见,此方法可作为了解Cu合金组织和成分构成的一个便捷手段。
另外,从表1中的测量结果,我们还可定性了解这两种合金在熔铸时的凝固条件。
3.2粒子间距的测量
第二相平均粒子间距用σ表示,它指的是从粒子中心到另一邻近粒子中心的平均距离。
由IPP软件中并不能直接得到σ。
在粒子数较多且分布比较均匀的情况下,我们用这些粒子在X、Y轴等间距刚好排满时粒子在轴向的相邻距离来近似代替(图5)。
在这种假设下,,LX、LY代表图片长和宽,N为粒子个数,其中LX、LY、N都可以通过IPP直接得到。
如图6所示Cu-Cr合金的金相组织,Cu基体上分布着白色的Cr颗粒。
采用上述方法计算得到Cr颗粒的平均间距σ=15.8μm,与用手工方法直接在图上多次测量求平均值得到的值13.5μm接近,粒子所占面积比AA=2.5%,圆整度Roundness=1.07,因为Cr在Cu中的溶解度极小,因此可以认为Cr相在Cu基体中的体积分数Vv=2.5%,由公式(2)可算得Cr 的质量百分比。
图5算法示意图图6Cu-Cr合金
3.3晶粒大小的测定[6-7]
我们还测定了图7所示Cu2%Be合金的晶粒度大小。
为使测试结果准确,原始图必须进行Contrast、Lowpass、Median等处理,以消除杂质点的影响,利用Pruning工具提取晶界和二值化处理后的图像如图8所示。
可以看出,图7与图8的轮廓基本相符。
由图7的计算结果可知,Cu-2%Be合金的晶粒平均直径为14.8μm。
图7Cu2%Be合金相图图8Cu2A%Be合金晶界图
4结论
本文对IPP图像处理软件的应用进行了再度开发,成功地应用于测量Cu合金金相组织的有关特征参数,并提出了一种测量粒子间距的近似算法。
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