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1、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
2、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-被测量相 (组织)的比重T- 整个合金的比重基本公式：VV
3、=AA=LL=PP(1)Ww=Vv/T(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
4、“，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
5、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=Vv/T 求得，其中 为被测量相( 组织)的比重，T 为整个合金的比重。我们采用真空熔铸制备了 Cu-10
6、%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 和共晶组织的体积分数：(VV)=WT/(3)(VV)eut=WeutT/eut(4)(VV)/(VV)eut=Weut/Weut(5)其中eut=Cu20/35+Cu4La15/35(6)Cu4La 比重未知，我们按其化学组成近似求得，即Cu4La=Cu65%+La35%(7)由(VV)+
7、(VV)eut=1，结合式 (5)，可得(VV)，(VV)eut。若已知初晶 和共晶组织的体积分数(VV) 、(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 铜和(Cu+Cu4La)共晶体组成，则WCu=WCu()+WCu(eut)=W+WeutWCu/eut=(VV)/T+(VV)euteutWCu/eut/T(8)T=(VV)+(VV)euteut(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
8、WCu/eut共晶体中 Cu 所占质量分数由相图可知，WCu/eut=85%，eut 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 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
9、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 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 。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
10、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 =15.8m，与用手工方法直接在图上多次测量求平均值得到的值13.5m 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 14.8m。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。免责声明：1、本文系本网编辑转载，转载目的在于传递更多信息和学习，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
