摘　要:介紹了利用圖像自動(dòng)分析儀對鑄造鋁合金進(jìn)行針孔分析的方法。通過掃描合金的金相試樣轉(zhuǎn)換成圖像,并對圖像加以處理,消除噪音和設(shè)置閾值,實(shí)現(xiàn)對針孔的鑒別;對針孔的數(shù)目、大小、分布和形狀等參數(shù)進(jìn)行處理、分類和分級。結(jié)果表明,利用圖像分析儀進(jìn)行鑄件針孔度的定量分析,高效、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞:圖像分析;鑄造鋁合金;針孔度

在生產(chǎn)條件下,鋁合金鑄件凝固時(shí),會(huì)形成細(xì)小的空洞,稱為針孔。針孔通常分布在整個(gè)斷面上,特別是在凝固速度較慢的鑄件厚大部位。針孔減小了構(gòu)件的實(shí)際受力面積,而且有可能成為裂紋源,并破壞了材料的連續(xù)性,降低了鑄件的強(qiáng)度和塑性[1],同時(shí),針孔還影響耐腐蝕和陽極氧化性能。因此,在鋁合金鑄件,特別是用于航空工業(yè)的鋁合金鑄件的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中,都明確提出對鑄件的針孔級別進(jìn)行限制。

根據(jù)GB8733-2000,針孔級別可分為5級。通常檢驗(yàn)人員是將這五種級別的針孔照片與鑄件切樣進(jìn)行對比,給出針孔等級。這種檢驗(yàn)方法主觀隨意性較大。隨著測試技術(shù)的進(jìn)步,對針孔度的檢測提出了更高的要求,需要把針孔的測量定量化,包括針孔率、孔徑、數(shù)量和分布狀態(tài)。近年來,已有一些關(guān)于針孔定量分析的研究報(bào)道[2,3]。筆者介紹了利用自動(dòng)圖像分析儀對試樣進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)掃描并對針孔形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)判別和分類研究的試驗(yàn)結(jié)果。

2.1　工作流程

自動(dòng)圖像分析儀能對各種平面圖像進(jìn)行定量參數(shù)測量和計(jì)算,應(yīng)用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)控制,使圖像分析得到快速而且準(zhǔn)確的結(jié)果。工作流程見圖1。

2.2　主要測量參數(shù)[4]

(1) 周長(Lp):基像邊界的長度,是基像內(nèi)外像點(diǎn)的累加計(jì)數(shù),經(jīng)像點(diǎn)的定標(biāo)因子換算,可得到基像的周長。

(2) 面積(A):測量基像內(nèi)所包含的像點(diǎn)數(shù),經(jīng)定標(biāo)因子(每個(gè)像點(diǎn)所占的面積元)換算后,即可得到基像的面積。單位測量面積內(nèi)被測組織所占面積為AA,單位測量體積內(nèi)被測組織所占體積為Vv。

根據(jù)體視學(xué)的原理,在一定條件下可以證明Vv=AA。由此可見,在顯微鏡下測量的針孔面積分?jǐn)?shù)實(shí)際上就是針孔的空間分布密度。

(3)篩分:圖像分析儀對基像按面積或弦長進(jìn)行篩分,這是一種累計(jì)計(jì)數(shù)方法,可得到基像特征參數(shù)的分布函數(shù)。

3.1　實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器為德國Leica公司生產(chǎn)的圖像分析儀,選用的軟件平臺(tái)是QMW分析系統(tǒng)。在顯微鏡下觀察,由于針孔與基體的灰度不同,通過設(shè)定灰度閾值,檢測出針孔。但是所得到的數(shù)據(jù),除針孔外,還有縮孔、疏松、夾雜物等鑄造缺陷以及磨制試樣時(shí)所造成的劃痕等缺陷。筆者通過設(shè)定灰度和幾何閾值,以消除其它缺陷和圖像噪音,準(zhǔn)確地捕捉針孔,并通過設(shè)置工作臺(tái)的移動(dòng)步長,使測量過程中掃描區(qū)域不重疊。金相試樣在顯微鏡下掃描,掃描面積為10×10=100mm2,其視野為5×6=30個(gè)。

3.2　針孔試樣制備

實(shí)驗(yàn)合金選用航空鋁合金ZL114A,其成分為Al-7Si-0.50Mg-0.15Ti-0.05Be。為了得到不同的針孔級別,在熔煉過程中采用調(diào)整爐氣相對濕度的方法充氫。經(jīng)HYSCAN氫氣測定儀測定,第一爐合金的含氫量為0.08mL/100gAl,第二爐合金的含氫量為0.38mL/100gAl。將熔煉好的合金液進(jìn)行砂型澆鑄,待冷卻后,在鑄件凝固較慢的厚大部位取樣,用線切割機(jī)加工,試樣斷面為10mm×10mm,經(jīng)過磨平和拋光后,即可進(jìn)行觀察。

4.1　閾值設(shè)置

觀察整個(gè)斷面進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)。設(shè)定灰度面積閾值,使其分辨出所有針孔,排除其它缺陷。這兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)選和控制將直接影響測量的準(zhǔn)確度。如果金相試樣磨的平整,沒有劃痕,那么這些參數(shù)的設(shè)置就很容易,而且準(zhǔn)確?；叶乳撝凳乔笙囿w積分?jǐn)?shù)的關(guān)鍵[5],如果灰度閾值設(shè)置偏小,就會(huì)漏掉一些針孔,或者只能檢測部分針孔,如圖2a。如果灰度閾值設(shè)置偏高,就會(huì)識(shí)別到其它缺陷,如圖2b。但是為了檢測到所有針孔,設(shè)置一般稍微偏高,這時(shí)候可通過設(shè)置面積閾值,去掉其它缺陷。

圖2　閾值的設(shè)置

4.2　鑄造鋁合金中針孔的典型形態(tài)

針孔是在凝固過程中析出的,通常分布于晶粒或枝晶間。觀察發(fā)現(xiàn),針孔顯微形態(tài)可用圓度來表征,圓度(Roundness)Rd=L²p/4kπA。k是一個(gè)系數(shù),如果只想接受理想的球形,則k=1。本實(shí)驗(yàn)中取k=1.0645,使得Rd落在1～1.35范圍內(nèi)時(shí),針孔都被認(rèn)為是圓的。根據(jù)圓度不同,針孔形態(tài)大致分為以下四種,圓形(見圖3a)、近圓形(見圖3b)、角形(見圖3c)和多角形(見圖3d)。

         (c)　2.35≤Rd<4                               

(d)　Rd≥4

圖3　鑄造鋁合金中典型的針孔形態(tài)

4.3　針孔尺寸

按照航空標(biāo)準(zhǔn),針孔級別是用單位面積上的針孔數(shù)量和針孔直徑來定義的。定義針孔率為針孔體積占測量體積的百分比。經(jīng)過定量分析后(見表1),試樣1(含氫量為0.08mL/100gAl)含有74個(gè)針孔,試樣2(含氫量為0.38mL/100gAl)含有92個(gè)針孔,相差不大。但是試樣1的針孔率只有0.857%,而試樣2的針孔率則高達(dá)4.686%,其主要原因是兩種試樣的含氫量相差很大[6]。所以單從數(shù)量上進(jìn)行針孔度的評級是不科學(xué)的。已經(jīng)知道針孔并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓,故軟件計(jì)算出的直徑是各種形態(tài)針孔的當(dāng)量直徑(EquivDian),D=2A/3.14。雖然是個(gè)近似值,但是它在一定程度上反映了針孔的大小。針孔尺寸一般≤1mm。針孔尺寸見圖4。針孔直徑越大,其產(chǎn)生的危害也越大,鑄件的力學(xué)性能越低。

　

圖4　針孔當(dāng)量直徑的分布

4.4　針孔的綜合評定

鑄造鋁合金廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域,不同產(chǎn)品對針孔度的要求也不相同。通過自行設(shè)定評級標(biāo)準(zhǔn),本軟件可提供多種評級方法。傳統(tǒng)的針孔度檢測,是按照單位面積上的針孔個(gè)數(shù)評級,個(gè)數(shù)越多,級別越高[7]。針孔率反映針孔的空間分布密度,是鑄件氣密性的重要指標(biāo),故可以按照針孔率的大小評級。圓度,反映針孔的空間形狀。在針孔面積相同的情況下,針孔圓度越大,對力學(xué)性能的影響越顯著。細(xì)長的針孔往往成為鑄件的裂紋源,所以也可以按照針孔的幾何形狀評級。

傳統(tǒng)檢測是單一從鑄件針孔的個(gè)數(shù)對針孔度進(jìn)行分級,是不全面的。用圖像自動(dòng)分析儀進(jìn)行針孔度的檢測,可用針孔的數(shù)目、針孔率、密度分布和形狀參數(shù)綜合定義針孔度的級別,從而實(shí)現(xiàn)對針孔的定量分析和空間分布的認(rèn)識(shí)。此方法高效準(zhǔn)確,值得推廣。