金相分析

金相分析（精选9篇）

金相分析 篇1

铝合金在生产过程中需要对其化学成分、尺寸精度、机械性能等进行检验分析, 尤其对铝合金的金相分析对提高产品质量, 采取有效措施控制不合格产品出现的概率, 以及在研究新型铝合金材料等方面具有重要意义, 下面以硬铝合金为例进行阐述。

硬铝合金即铝铜镁系合金具有耐热性能强、强度高等优点因此被广泛应用于建筑、造船等行业。硬铝合金中较为常见的有Ly11、Ly12两类, 下面以Ly12为重点对其金相分析进行探讨。

一、铝合金金相检验

1、强化效果

硬铝合金组成成分和其机械性能有着密切的关系, 本质上分析主要由合金的强化相决定, 硬铝合金的强化相受合金中镁、铜比值的影响, 这两种元素的比值不同不但影响铝合金的强化相, 而且还影响铝合金的强化效果。当铝合金中镁元素的含量较少时, 其形成的强化相以θ (Cu Al2) 为主, 当镁元素的含量增加时θ相则相应的减少, 从而形成具有一定耐热性, 强化效果更大的S (Al2Cu Mg) 相。如果Mg的含量继续增加则会形成β (Al3Mg2) 和T (Al6Cu Mg4) 相, 其强化效果较差。在镁和铜比值一定的条件下, 铝合金中镁、铜元素含量越高, 强化相数量就越多, 形成的强化效果就越大。

2、显微组织

研究分析铝合金组织使用的侵蚀剂是氢氟酸。使其对Ly12进行固溶化处理, 然后加自然和人工时效后, 正常的显微组织应在α固溶液基体上均匀分布为S相和θ相。

在合金非平衡冷却时会给合金的偏析带来一定的影响, 尤其对合金心部的影响较为严重导致其严重偏析, 在α晶界位置出现一些 (α+θ) 、 (α+S) 二元共晶, 有时还会出现 (α+S+θ) 三元共晶。这种情况的产生并非仅仅有合金的非平衡冷却产生, 淬火冷却速度会给合金造成相同的影响。如果淬火冷却的速度较低, 合金的强化相就会大量析出并分布在晶界边沿位置, 这种情况会使合金的强化效果大大降低, 增大晶间腐蚀可能性。从中能够得出这样的结论:如果合金的强化相出现在晶界位置处, 就会导致合金的抗腐蚀性能降低, 硬合金的强度也会因此受到影响。

如果想利用时效和淬火增强铝合金的强度, 并不需要特意对其进行均匀退火处理, 因为合金淬火加热过程中其成分就会分布均匀。如果将铝合金的试样直接放在在温度为497±3.5℃的条件下加热20min, 对其进行水淬固溶化处理, 或者先将其在490℃温度条件下加热120min均匀化退火然后再进行固溶化操作。经观察分析可知这些操作处理并未使铝合金强化相的分布状态发生改变。

根据以上的结果分析, 铝合金的强度没有得到显著提升主要以下几点原因造成:首先, 对其进行均匀化退火处理时, 其保温时间不够充足;其次, 铝合金的组织粒粗大, 从而会给其成分的扩散带来一定的影响。经试验证明要想细化铝合金的晶粒, 则需对其进行冷变形加工处理, 这样以来还能促进铝合金成分分布均匀。

3、强化相的鉴别

为了鉴别铝合金的强化相, 试验时应对其进行染色处理。资料显示能够使用磷酸水溶液对铝合金的θ相和S相进行染色, 主要因为铝合金的θ相不变色而S相则会表现为暗棕色。如果使用氢氟酸侵蚀剂对铝合金的强化相进行染色, 能够通过灰度的不同对铝合金的强化相进行辨别。

4、过烧组织

硬铝合金热处理特性决定了强化相的充分固溶温度和 (α+S+θ) 三元共晶温度之间的空隙较窄。如果将Ly12合金的θ相和S相完全溶入, 则α固溶体的温度和三相共晶 (α+S+θ) 的熔点非常相近, 所以说对硬铝合金进行淬火加热过烧的敏感性非常大。据相关资料介绍, 如果铝合金抛光状态下, 未使用试剂对其进行侵蚀操作, 当有球状共晶相出现时则说明已达到轻微过烧或已经过热。如果出现了较为清晰的晶界, 尤其在三个晶界交汇位置粗化且出现了呈现黑色的三角相, 则说明其已经融化, 达到了过烧的程度。

硬铝合金淬火加热操作时“过热”主要指其在固相区保持较长时间的保温状态, 导致铝合金的晶粒变大。“过烧”指加热的温度已使其进入固、液两相区, 此时的晶界慢慢开始熔化。例如, 在510℃左右温度条件下保持20min的水冷处理后的组织, 不但出现了共晶复熔球, 而且三角晶区和晶界变粗都逐渐出现。在540℃左右温度条件下保持20min, 水冷处理后的组织, 这时的晶界变得更粗, 而且三角晶区更为清晰, 该状态下仍有共晶复熔球。

因此从这个层面上分析, 在实际的铝合金金相检验中遇到硬铝合金过热组织出现的可能性非常小, 即较为粗大的α相晶粒出现, 不过有关标准并不将其作为是否过热的判断依据, 除非在接近温度或在α相区条件下保持很长一段时间的保温, 不过这种情况在实际的生产过程中根本不会出现。当出现“共晶”复熔球就足以说明淬火加热的温度已经使其达到了固、液的状态, 真正达到了过热的程度。

二、铝合金金相研究处理方法

铝合金的金相分析过程中, 通常将验证金属组织定性分析和组织成分含量的半定量分析作为重点, 但是随着科技的发展, 采用计算机图像处理技术, 对铝合金进行金相分析受到人们的广泛关注。

图像预处理技术主要包括图像分割和图像滤波两部分组成, 其中滤波的主要目的在于去除检验的干扰因素, 主要因为铝合金的金相图像会受到光照的不均匀等其他因素的影响, 所以对金相图像进行滤波处理后, 就能使目标图像和背景图像形成强烈的对比, 从而使金相图像质量大大提高。图像分割的主要目的是分割目标图像和背景以及相互连接的图像之间进行分离。现在对铝合金金相分析时使用最大类间方差优化算法对图像进行分割处理, 使用高斯滤波优化算法对金相图像进行去噪处理。

三、总结

从材料学的角度考虑, 对铝合金的金相进行分析, 能够对铝合金的性能做出合理的预测, 并能评估铝合金的组织状态, 从而准确把握和控制铝合金进行热处理操作过程, 以此充分发挥铝合金的最佳性能。

摘要：本文以Ly12合金为例分别对其在正常和非正常热处理条件下, 对合金正常和非正常金相组织的特征、显示等进行分析, 简单了介绍金相图像处理方法, 从而总结出硬铝合金金相分析的注意事项。

关键词：铝合金,金相,分析

参考文献

[1]谷莉.硬铝合金金相检验中常见的几个问题[J].甘肃高师学报.2005 (02)

[2]王永海.变形铝合金显微组织的金相与电镜观察[A].工业铝型材技术专集[C].2006

金相分析 篇2

1、试样制备：

试样截取的方向，垂直于径向，长度不超过8mm。

试样可用手锯或切割机床等切取，不论用何种方法取样均应注意试样的温度条件，必要时用水冷却，以避免正式试样因过热而改变其组织。

2、试样的研磨

准备好的试样，先在粗砂轮上磨平，候磨痕均匀一致后，即移至细砂轮上续磨，磨时须用水冷却试样，使金属的组织不因受热而发生变化。

经预磨后的试样，先在抛光机上进行粗抛光(•抛光织物为细绒布、抛光液为W2.5 金刚石抛光膏)，然后进行精抛光(抛光织物为锦丝绒，抛光液为W1.5 金刚石抛光膏)•抛光到试样上的磨痕完全除去而表面像镜面时为止，即粗糙度为Ra0.04以下。经砂轮磨好、洗净、吹干后的试样，随即依次在由粗到细的各号砂纸上磨制，可采用在预磨机上进行磨制，从粗砂纸到细砂纸、再换一次砂纸，试样须转90°角与旧磨痕成垂直方向。

3、金相显微组织检验

金相显微镜操作按仪器说明书规定进行。

金相检验包括浸蚀前的检验和浸蚀后的检验，浸蚀前主要检验钢件的夹杂物和铸件的石墨形态、浸蚀后的检验为试样的显微组织。按有关金相标准进行检验。

4、试样的浸蚀

精抛后的试样，便可浸入盛于玻璃皿之浸蚀剂中进行浸蚀。浸蚀时，试样可不时地轻微移动，但抛光面不得与皿底接触。浸蚀剂一般采用4％硝酸酒精溶液。浸蚀时间视金属的性质、检验目的及显微检验的放大倍数而定，以能在显微镜下清晰显出金属组织为宜。试样浸蚀完毕后，须迅速用水洗净，表面再用酒精洗净，然后用吹风机吹干。

5、使用金相显微镜注意事项：

取用镜头时，应避免手指接触透镜的表面，镜头平时应放在干燥器中妥善有效。物镜与试样表面接近时，调节时不要使物镜头与试样接触。显微镜不用的时候要用防尘罩盖起。

图像分析仪在金相分析中的应用 篇3

关键词：图像分析,金相检测,测量,定量,比较法

传统的金相检验方法是通过光学显微镜观察金相试样被检测面来定性的描述金属材料的显微组织特征, 或将显微镜视场内观察到的图像与标准图片对比来评定晶粒度、非金属夹杂物的级别等, 称为比较法;这种方法主要依靠照片的分级, 评定时带有很大的主观性, 不同的检测人员往往评定出不同的级别;在定量检测的过程中, 我们不能依据某位检测人员在显微镜下观察一个或几个视场来给出检测结果, 而需要对整个检测面上的通过采集大量视场图片进行观察并统计, 才能保证检测结果的准确性和真实性;图像分析仪正是采用先进的电子光学技术和计算机技术代替人眼观察并进行统计计算, 规避了人为因素对金相评定结果的影响和主观性误差, 同时对应的电脑软件可以快速而精确地进行测量并同时处理大量的数据分析。因此当产品质量出现异常或普通对比法的检测分析数据处于上下两级之间而影响合格性无法确定时, 可以使用图像分析仪对其进行定量分析, 给出有仲裁效应的数据报告。

1 图像分析仪的工作原理和程序

图像分析仪由金相显徽镜和照像仪器等组成的光学成像系统组成, 配套其软件, 在一定的放大倍率下, 首先用肉眼在显微镜下直接观察试样, 选定需要分析的区域, 再用数码照相机图片进行聚焦后采集当前图像, 经过光电转变, 把光信号转变成电信号, 再经过A/D转变, 最终形成该观察面的数字影像文件。通过图像采集卡的数字文件接口传入计算机, 由计算机对数字图像进行存储、处理和分析。

图像分析仪工作程序:试样———图像采集———图像处理———定量检测———数据处理———结果报告。

2 金相图像分析仪的主要用途

常规的金相检测分析工作有可分为显微组织观察、晶粒度评定、深度测量和夹杂物评定等。图像分析仪只要配备了其对应的软件模块, 大部分情况下都可以定量的完成这些金相检测分析工作。

2.1 晶拉度的评定

金相检验分析工作中常规的一个检验项目就是测量金属材料的晶粒度。国家标准GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》中规定晶粒度测定可采用比较法、面积法、截点法等。

比较法是采用与相应标准评级图谱相同的放大倍数和相同的视场直径下, 选择有代表性的视场直接与标准评级图谱进行对比, 给出评级结果。由于此种方法检测过程简便, 仅需肉眼观察, 且对试样检测面的要求较低, 可缩短金相的制样过程。普通金相检测大多采用这种方法进行晶粒度的评定;但此种方法主观上的误差也比较大, 允许偏差±0.5级。

面积法是通过计算给定面积网格内的晶粒数N来测定晶粒度。通过合理技术, 面积法可实现±0.25级的精确度, 测定结果一般无偏差。

截点法 (仲裁法;标准规定, 当有争议时, 截点法是所有情况下仲裁的方法) 是通过统计给定长度的测量线段 (或网格) 与晶粒界面相交截部分的截点数, 利用单位长度截点数来评定晶粒度级别数, 精确度可达到±0.25级, 测量结果几乎没有偏差。但此方法若人工进行, 过程极为繁琐且人工统计容易出错, 而图像分析仪则没有这方面的负担, 因此当对检测结果要求较精确时, 采用图像分析仪可以很好的满足工作者的需要。

通过一系列数据研究发现, 传统的金相检验结果与图像分析仪的检验结果经常相差半级 (传统金相检验晶粒度值较粗半级) , 这是由于在使用传统的评级方法时, 由于显微镜下观察的视觉误差造成评级上有一定的误差, 且在制备金相试样时, 腐蚀控制时间较难, 容易造成晶界断裂或晶界不完整;传统的检验方法还存在一个检测人员之间的误差, 试验方法规定允许误差为±0.5级。若用图像分析仪, 可使用其图像分析处理软件功能去除晶粒内的析出物, 并且对晶界进行重建后得到完整的晶粒图像, 再进行晶粒度的评定;同时金相传统的对比法检验无法给出平均截据这一参考性数值, 检验结果的量值偏少, 不宜于科学研究。

2.2 测定显微组织的含量

图像分析仪可以定量地分析金属材料中的各种显微组织的含量, 从而研究显微组织对机械性能的影响;测量时可完整包含一个视场的组织含量, 且可采集多个视场取平均值, 测量的准确度较高, 这是普通金相检验做不到的。

2.3 测定非金属夹杂物

国内常规的金相非金属夹杂物评级是根据GB/T10561-2005标准, 采用显微视场与标准评级图谱相对比的方式评定钢中非金属夹杂物级别。而图像分析仪除了可完成上述检测以外, 还可以测量每个检测面上的非金属夹杂物的数量、形态、尺寸以及分布等参数, 为科技工作者的开发和研究提供依据。

2.4 测定渗碳层、脱碳层、镀层深度

传统的金相检验, 均是采用不同的腐蚀剂, 使基体与镀层或渗碳层等被腐蚀情况不同从而可以进行视觉分辨, 在显微镜下观察灰度开始改变的地方, 测量其与表面的距离作为检测结果。由于受镀层下基体材料表面粗糙度等的影响, 镀层一般都有厚薄不均匀的现象, 而用图像分析仪可以在同一个视场采集多个镀层深度或采集多个视场中某一固定位置的镀层深度等取最终平均值, 增加检测数据的稳定性和精确性。渗碳层、脱碳层深度测量时, 可先测定基体组织的铁素体含量, 之后从表面向内移动定量灰度线, 直到当前位置的铁素体含量与基体组织中的铁素体含量相同时停下, 测量深度既镀层深度。

2.5 测量球墨铸铁中石墨的球化率

球墨铸铁中的石墨球化率是一个重要指标, 也是日常金相检验中的一个重要项目。传统金相检验使用比较法评定, 而图像分析仪则可用计算法 (仲裁法) 进行评定。

3 结论

1) 图像分析仪近年来广泛应用于金相检测分析中, 而很多评定方法中的仲裁法也被按照其相关规定编辑对应参数设置在图像分析仪软件中, 采用仲裁法给出分析结果, 可以保证金相检测分析数据的精确度和可靠性, 为科研开发提供有力的数据, 引入图像分析仪可很轻松的完成这些检测工作, 改变了原来的繁琐工作状态;2) 由于图像分析仪对图片的处理涉及到显微镜的光学系统和照相机的工作状态, 因此对操作人员的技术水平要求较高;3) 由于图像分析仪主要靠电脑提取灰度值来分辨, 因此对试样的表面处理要求极高, 在研究夹杂物试样时要注意防止夹杂物在研磨时脱落, 防止研磨剂残留覆盖夹杂物等, 且腐蚀也要适当, 微微的过腐蚀或欠腐蚀在普通金相检测中或许还可以使用, 但在图像分析仪检测中则绝对不能使用。4) 图像分析仪仅是改进了检测方法中较复杂方法的使用, 对于部分对检测结果精确度要求不高的情况, 或检测数值远低于合格线的检测, 仍可以采用普通金相对比法;在对比法上, 采用图像分析仪没有相对的优势。

参考文献

金相检验操作规程 篇4

取样－粗磨－细磨－抛光－腐蚀－显微观察评级

1、取样，取样要具有代表性，试样尺寸尽量12-20mm范围内，截取过程中应防止组织发生变化（要求截取试样过程中试样受热、受外力作用都能尽量小）通常用于切割试样的有砂轮切割机、原材料检测试样：a)试样的金相检测面要平行于轧制方向；

2、细磨细磨一般在金相砂纸上对粗磨好的试样进一步磨制，为抛光作好准备。细磨一般要由粗到细依次经过240＃400＃800＃金相砂纸。每更换一道砂纸，试样转动90°角，以观察上道砂纸划痕是否全部磨掉。细磨后，将试样和双手冲洗干净。

3抛光 抛光的目的是除去试样磨面上磨痕，使其呈光亮无痕的镜面。抛光在涂有金刚石研磨膏的专用抛光机上进行，并在抛光机上沿半径方向往复移动或转动，以防产生抛光道痕或拖尾。抛光好的试样冲洗干净，并迅速用吹风机吹干。

3.2.5试样的腐蚀 为进行显微组织检验，须对抛光好的金属试样进行腐蚀，以显示其真实，清晰的组织结构。腐蚀试剂4%硝酸酒精溶液腐蚀金相显微组织：一般过程：冲洗抛光试样－酒精擦洗－吹干－腐蚀－冲洗－酒精擦洗－吹干。

金相分析 篇5

金属材料的强度、韧性、塑性等力学性能指标对于实际的工业、民用使用有很大的影响。通常都希望金属材料的强度更强,韧性更好。一般认为,影响金属材料力学性能的因素很多,其中一个主要因素就是金属的晶粒度。根据霍尔佩奇公式[1]:

金属的晶粒直径越小,金属材料的强度就越好。在材料学中,金属材料的晶粒直径大小通常用晶粒度来表示。而金属组织的晶粒形状各异,尺寸也有一定的差异。所以晶粒度并没有直接的判定公式,而是和标准的晶粒图谱相比较而估测。所以晶粒度往往是不精确的,无法做到量化分析。

本文采用MATLAB软件,应用MATLAB中图像处理的数据统计和分析工具,主要是傅里叶分析对金相图像的晶粒度进行分析,试图通过图像处理找到一种量化处理金相图像晶粒度的方法。

1 金相图像的晶粒度图像的标准化处理

通常所用的金相图像除了所用作晶粒判别的晶界之外,往往还有较多的杂质和不同的组织,如图1所示,这些对于晶粒度判别的图像处理往往有不利的影响。所以我们需要对金相图像进行标准化处理,得到标准的只含晶界的金属组织图像。标准化处理的方法是采用MATlab软件中的灰度化处理,首先将图片转成灰度图,然后采用灰度值判别,忽略灰度值为85以下的像素点和整块连片的灰度值185以上的高灰度像素点。具体做法是:

(1)使用MATLAB的imread函数读入图像文件。

也可直接写为imread('')。其中,X,MAP分别为读出的图像数据和颜色表数据,fmt为图像格式,filename为读取的图像象文件。

(2)用rgb2gray函数经图像转化为灰度图。

(3)采用imshow函数忽略干扰点和干扰区的显示。

具体结果可得到如图1所示的结果。

2 标准金属晶粒图像的数据统计

对所采集到的金属组织图像进行标准化处理后,将得到的标准金属晶粒图像在MATlab软件中进行数据统计分析。

2.1 灰度直方图分析

MATLAB是能够进行数值运算、符号运算和图形处理等功能的科学计算语言。MATLAB本身就是一个功能强大的数据处理工具,能够通过各种形式分析和显示数据,例如灰度直方图、等高线、像素分析以及图像变换等。这里对标准金属晶粒图像的数据统计采用灰度直方图方法进行统计分析[2]。

直方图描绘的是灰度值和对应灰度出现的频数(即处于该灰度级的像素的数目)间的统计关系,用横坐标表示灰度,纵坐标表示频数。具体计算采用MATLAB中的imhist函数进行。得到的结果如图2所示。

可以发现,金属晶粒图像标准图上灰度值坐标上的绝大多数位置频率数目都是0,只有在2端才呈现分布。

2.2 傅里叶变换分析

在图像处理领域中,傅里叶变换有广泛的应用,但在金属材料晶粒度的计算上还未见相关研究。本文尝试通过傅里叶变换对标准金属晶粒图像进行分析,从而找到量化研究晶粒度的方法。

傅里叶变换的原理是:假设f(x)是一个离散空间中的函数,则该函数的傅里叶变换的定义如下:

离散傅里叶变换的定义如下:

F(p,q)称为f(m,n)的离散傅里叶变换系数。这个式子表明,函数f(m,n)可以用无数个不同频率的复指数信号和表示,而在频率(w1,w2)处的复指数信号的幅度和相位是F(w1,w2)。

本文对晶粒图像采用快速傅里叶变换,使用的是MATLAB中的fft2函数。

我们对标准金属晶粒图像评级图逐一进行傅里叶分析,试图找出其中的统计规律。标准的金属晶粒图像评级图对照如下。

从以上晶粒度的图像和傅里叶变换的分析图像的对比,可以看出,通过傅里叶变换对晶粒度图像处理,较粗大晶粒的晶粒度图像变换后的图像较锐利,有一定的不连续性,呈现了较多的变化。图像中的同心圆环数量是2个,图像中心有4条明显的射线,如图3所示。对于较细小的晶粒,其傅里叶变换后的图像较平缓,变化连续。图像中的圆环数量是3～4个,图像中心只有2条射线,如图4、图5所示。所以傅里叶变换分析图像可以帮助判定晶粒度的级别。

3 结论

采用MATlab软件对金属组织的晶粒度图像进行分析。通过imread函数读入原始图像,应用rgb2gray函数转换为灰度图,转化成标准金相晶粒图像后,进行灰度直方图分析和傅里叶变换分析,得到了金属组织的晶粒大小和傅里叶变换结果的关系。为量化分析晶粒度级别提供了一个新的方法。

参考文献

[1]胡赓祥.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2001.

金相分析 篇6

在数字图像处理技术普及以前, 材料显微组织分析中所用的照片是用照相机先拍摄一张曝光合适、组织细节清晰的底片, 然后进行底片冲洗、放大印像, 最终得到一张印在相纸上的照片[7]。这种通过照相底片冲洗印制所得的照片, 获取过程烦琐, 不便长期保存, 也不方便进行交流。现在数码相机技术成熟, 应用普遍, 获取数码照片很容易, 在金相显微镜和电子显微镜上配接数码图像采集系统, 可以直接将金相显微组织图像照片以数码图像的方式采集并存储起来。即使以前的普通照片, 也可通过高分辨率的扫描仪使其数字化, 保存在计算机中, 以供进一步分析使用[5]。图像数字化技术的成熟与普及为金相组织的计算机分析创造了条件, 对组织图像照片的正确认识与理解就成为组织分析的基础。

1 图像与数字图像

视觉是人类从自然界中获取信息的最主要手段, 图像则是人眼观测客观世界获得的视觉实体[8]。图像代表了客观世界中某一物体的生动的图形表达, 包含了描述其所代表物体的信息。就材料研究而言, 图像是指由各种材料表征手段 (如光学和电子显微镜、光谱、能谱等) 所获得的有关材料结构的各种影像。

图像就是单个或一组对象的直观表示, 而图像处理就是对图像中包含的信息进行处理, 使它具有更多的用途。一般光学图像、照相图像 (如照片) 、显示器显示的图像 (如电视图像) 本质上都可划归于连续的模拟图像, 不适宜直接用计算机处理。可用计算机处理的图像是数字图像。连续的模拟图像经过离散化处理后, 得到的计算机能够辨别的点阵图像就是数字图像。严格来讲, 数字图像是通过等距离矩形网格采样, 对幅度进行等间隔量化的二维函数[9,10]。因此, 实际上被量化的二维采样数组就是数字图像。

通常, 一幅数字图像是由大量的数据点组成的, 每个数据点我们称其为像素 (pixel) 。例如:一幅图像若是由水平方向上256列像素和垂直方向上512行像素组成的矩形图, 则该图像大小为256×512像素。每一个像素均有自己的属性, 如灰度和颜色, 这是决定一幅图像表现能力的关键因素。其中, 单色图像中表征像素亮度的是灰度, 它的量化等级越高, 表现力越强, 一般分成256级。同样, 颜色量化等级包括单色、4色、16色到256色以及24位真彩色等, 量化的等级越高, 量化的误差越小, 图像的色彩表现力越丰富。当然, 随着量化等级的提高, 图像的数据量将剧增, 甚至达到海量数据, 这会导致图像处理时的计算量以及复杂程度相应增加。

数字化图像按记录方式分类, 可分为矢量图像和位图图像。矢量图像用数学的矢量方式记录图像, 主要以线条和色块记录为主。这种图像很容易进行放大、缩小及旋转等操作, 而且不失真, 可用来制作3D图像。但它的缺点是不易制成色彩变化很多即色调丰富的图像, 因此, 在材料的金相组织中一般不采用矢量图像来记录, 更多的是利用位图图像进行记录。在位图图像中, 每一个像素点被转换为一个数据, 使用的位元素越多, 所能表现出的色彩也越多。位图图像能够制作出色彩和色调变化丰富的图像, 可以逼真地表现自然景色图像[8]。通常, 我们使用的颜色有16色、256色、增强16位和真彩色24位。这种位图图像记录文件较大, 对计算机的内存和硬盘空间容量要求较高。

对于数字图像, 除了像素和位这两个常用的术语外, 分辨率这一概念也十分重要。一幅数字图像是由一组像素点通过矩阵的方式排列成的, 像素点的大小直接与图像的分辨率有关。像素点越小, 图像的分辨率越高, 图像就越清晰可辨。一个图像输入设备 (如扫描仪、数码摄像头等) 的分辨率常用每英寸的像素值 (Pixel Per Inch, PPI) 来表示, 它决定了图像的根本质量, 反映了图像中信息量的大小。如一幅1 024 ppi×768 ppi图像的质量远高于254 ppi×512 ppi, 当然它们所包含的信息量也相差甚大。而对于图像输出设备 (如打印机、绘图仪等) 的分辨率, 则用每英寸上的像素点 (Dot Per Inch, DPI) 来表示, 这一数值越高, 对于同一图像输出效果就越好。除输出打印外, 计算机处理图像主要通过屏幕显示来观察效果, 计算机屏幕的分辨率一般用水平和垂直方向的像素点来表示, 如1 024×600像素等, 显示器的像素点越多, 分辨率越高, 显示的图像也越细腻。

对于金相组织图像, 现在一般采用高分辨率的数码摄像头获取。在将用数码金相显微镜获取的图像保存于计算机后, 图像中的组织组成物的大小可根据图像的大小和放大倍数进行标定。计算机中保存的图像文件, 在操作系统下可通过在图像文件上点击右键获取属性来查看图像的分辨率和大小 (如图1所示) 。图1是一幅T12钢淬火后低温回火的组织照片, 采用数码金相显微镜获取, 物镜放大倍数40×/0.65, CCD为13 mm (1/2 in.) 的800×600感光器, 其拍摄的视场为试样上的0.254 mm×0.191 mm区域。图片用T12文件名以.bmp格式保存。查看文件的属性可以看到, 该图像原始大小为800像素宽×600像素高, 代表在显微镜400×下 (40×物镜和10×目镜) 所看到的图像范围为101.6 mm×76.2 mm。

计算机采集的图片文件一般要在Word文档中进行处理和使用。对于不同的照相物镜放大倍率, 上述CCD拍摄到的大小始终是0.4’×0.3’=10.16 mm×7.62 mm, 计算机显示器的分辨率为800×600像素时, 显示效果才与CCD拍摄时一致。显示器为其他分辨率时, 相当于按照一定的比例对图像进行缩放。将计算机以800×600像素分辨率采集的图像保存为T12.bmp文件后, 代表着实际感光器上10.16 mm×7.62 mm大小的图像, 在Word中使用时, 应当将800×600像素的图片尺寸定为10.16 cm×7.62 cm, 才可和在实际显微镜目镜放大倍率为10倍时观察的图像一致, 这时显微镜观察的放大倍数为实际拍摄时的物镜放大倍数与目镜放大倍数10倍的乘积。

2 数字图像的处理技术及软件介绍

数字图像处理是用计算机进行的一种独特的图像处理方法。常见的数字图像处理技术包括图像增强与复原、图像变换和图像压缩与编码, 这些操作技术主要针对图像的存储和质量要求进行处理[7,8]。

对材料的组织分析而言, 使用较多的是图像分割技术和图像分析技术。它们是将图像中有意义的特征 (即研究者所关心的特征组织) 提取出来, 并进行量化描述和解释[7,8]。

常用的图像处理专业软件Photoshop, 具有强大的图像处理功能[9], 如路径、通道、滤镜、增强、锐化、二值化等。对于材料研究中图像处理常常进行的材料聚集结构单元的测量, 可利用这一软件中的图像二值化分离出目标颗粒, 并消除背景干扰, 笔者对图1中的白色渗碳体进行图像二值化分离提取后, 得到如图2所示图像。在材料研究图像处理中, Photoshop可作为辅助工具。

除常用的Photoshop软件外, MATLAB软件中的图像处理工具箱可做较为专业的图像处理, 它在图像的处理分析, 特别是在图像分割、特征提取以及形态运算方面具有强大的功能。许多专业图像分析软件是在MATLAB图像处理工具箱基础上开发的[8]。

MATLAB是世界流行的高级科学计算与数学处理软件[10], 它又是一个交互式的系统, 具备图形用户界面 (GUI) 工具。除基本部分外, MATLAB还根据各专门领域的特殊需要, 提供了许多可选择的工具箱, 这些工具箱由各领域的专家编写例程, 代表着该领域最先进的算法。MATLAB的图像处理工具箱就是为图像处理工程师、科学家和研究人员提供的直观可靠的一体化开发工具。利用MATLAB图像处理工具箱可完成以下工作: (1) 图像采集与导出; (2) 图像的分析与增强; (3) 高层次图像处理; (4) 数据可视化; (5) 算法开发与发布。

对于金相组织分析工作, MATLAB的图像处理工具箱提供了大量函数, 用于采集图像和视频信号, 并支持多种图像数据格式, 如JPEG, TIFF, AVI等。尤为重要的是, 该工具箱提供了大量的图像处理函数, 利用这些函数可以方便地进行图像数据分析, 获取图像细节信息, 进行图像的操作与变换。该工具箱中还提供了边缘检测的各种算法和众多的形态学函数, 便于对灰度图像和二值图像进行处理, 可以快速实现边缘监测、图像去噪、骨架抽取和粒度测定等算法, 为金相组织的特征提取与分析提供了多种强有力的手段, 成为各种专业图像处理软件的编程基础。

3 金相组织照片 (图像) 中颗粒大小表征分析

材料的显微组织分析包括两个方面, 一是确定显微组织中组织组成物的类型, 如钢中的铁素体、珠光体、渗碳体等, 二是确定组织组成物的数量、大小、形状和分布[2]。同一种组织组成物在显微镜下呈现一定的相同特征, 可以利用图像处理工具箱中的图像分割函数, 如阈值分割、边缘检测等, 将组织照片中的特征区域分离出来, 并进行标注, 以便后续开展定量分析[8]。一旦某一组织组成物被成功分离标注, 后续的定量分析可利用相关的函数进行, 它只是一个简单的计算问题。MATLAB图像处理工具箱对二值图像提供了丰富的区域选择、对象标注和特性度量函数, 可用于对特征区域组织组成物进行定量分析。分离出的每一个特征区域在数码照片中可作为一个目标粒子, 对某一组织组成物的定量分析就转化成对这些目标粒子的统计分析计算。

表征颗粒的大小除面积 (Area) 外, 可用于比较的常常是一个颗粒的当量直径。常用的当量直径有投影面直径da (与颗粒投影面积相同的圆的直径) , 周长直径dc (与颗粒投影外形周长相同的圆的直径) 。表示颗粒大小分布则常用大小范围来表示, 有矩形图和累计百分率频率分布图示法。这些在MATLAB软件中都很容易实现[8]。

笔者以T12的淬火后低温回火组织为例, 对图1组织 (图像) 中的渗碳体进行分离与分析计算。以下为采用MATLAB图像工具处理箱进行分析的M文件。

首先读入数码照片T12.bmp, 然后进行阈值分割, 得到图3。对图中的渗碳体 (白色) 进行标注, 并统计数numObject=762。对所有渗碳体计算面积, 找出最大面积为362, 平均面积为38.8, 并进行统计直方图描绘, 得到图4。尝试使用Canny算子对渗碳体进行边缘分割提取, 得到图5。这张组织照片中的渗碳体也可利用图像处理专业软件, 如Image Pro Plus 6.0进行分析处理。同样, 利用这一软件时, 先读入组织照片文件T12.bmp, 在增强处理 (Enhance) 下拉菜单中利用对比度 (Contrast hancement) 将黑白对比度拖到最大 (100) , 得到图5。在测量 (Measure) 下拉菜单中, 使用计数/尺寸 (Count/Size) 功能统计白色目标图像的面积、当量直径和周长, 得到结果如图6所示, 和Matlab处理结果相近。

4 结束语

金相分析 篇7

在铸造时,由于冷却条件、金属液位、铸造速度等工艺的影响,铸锭表面容易产生表面偏析缺陷,由于偏析弱化晶界结合能力以及成分波动对于后续轧制和产品性能会产生不利影响,故在轧制之前应进行一次铣面。变形铝合金的偏析层厚度一般利用扫描电镜进行测定,虽然测试精度比较高,但是其测试成本较高,效率较低。由于在企业生产过程中有大量的铸件需要进行测试,所以期望找到更加高效、低成本的测试方法。正是基于此目的,尝试了对金相法测试偏析层厚度的可行性研究,预期能替代高成本、低效率的电镜法进行变形铝合金的偏析层厚度测试。

1实验材料和实验方法

试样为5052变形铝合金,成分如表1所示。试样采用电解抛光腐蚀,电解腐蚀剂为10%HClO4+90%CH3CH2OH,电压30 V,时间10 s～15 s。腐蚀好的试样利用金相法测试偏析层厚度及金相组织,并与扫描电镜和能谱测试的显微组织和成分结果对比。

2结果与讨论

2.1金相法测试铸锭表面偏析层厚度

在规格为610×1100×6 900 mm的铸锭四分之一处截取一小块铸锭,经切割成15×20 mm的小试样,依次经过粗磨→细磨→粗抛→精抛→电解抛光,测试时,应将小铝锭用酒精冲洗,然后用电吹风吹洗干净,以防残留的腐蚀液对显微镜镜头产生腐蚀,最后在金相显微镜下观察。金相组织如图1所示,图1显示偏析层组织为树枝晶,为明显的枝晶偏析组织,粗大树枝晶组织的厚度约1 300 μm。对产生枝晶偏析的原因分析如下:实际生产中,由于结晶器壁的冷却作用,靠近结晶器壁的铸锭首先凝固,由于凝固而产生铸锭的收缩,铸锭外壳离开结晶器壁,产生气隙,使铸锭冷却速度减慢,导致液穴温度回升,凝固外壳产生局部软化和重熔现象,此时填充在枝晶间的和晶界尚未凝固的低熔点相,在液穴金属静压力的作用下,沿着枝晶间和晶粒间隙流到铸锭表面层,形成偏析层[1]。由金相观察到的只有发达的枝晶网络,对于充斥在次表层整个区域内的区域偏析,不容易识别。因此,对于金相测试得到的粗大树枝晶组织厚度是否为区域偏析层厚度需进一步论证。为了进一步研究偏析层厚度层,对试样进行阳极覆膜处理,阳极覆膜在HBF4水溶液中进行,覆膜电压为30V,电流密度为(0.10～0.30) A/cm2,覆膜时间为5 min。图2显示了试样经过阳极覆膜后的金相组织,对比图1可以得知,在枝晶密集处晶粒度细小,即所谓的细晶区,细晶区的形成是在成分过冷、温度过冷条件下表层形成一层非常细小的细晶区,在凝固过程中凝固层收缩,使得凝固层从液穴中导入的热量超过了从气隙导出的热量,发生了所谓的二次加热时[2],富溶质以及枝晶在二次加热时对晶粒长大起到了阻碍的作用,亦即偏析层下的晶粒度比基体的细小。

2.2EDX法测试铸锭偏析层厚度

由于5052铝合金表面偏析层枝晶网络发达,枝干和枝间的成分偏析比较大,若采用电子探针进行点扫描容易造成成分急剧波动而造成观察上的干扰,故采用能谱扫描区域的办法确定偏析厚度层,结合公司铸锭晶粒尺寸,扫描步长为200 μm,以减少晶内偏析所带来的干扰,如图3所示。测定元素为Al、Mg、Cr、Fe,由能谱分析结果表2得知,铸锭表面的Mg含量非常高,达到正常值的两倍,由图4可知随着能谱由铸锭表面向铸锭内部检测,当检测厚度达到1400 μm时,Mg含量趋近正常值,结合金相法测试得到的厚度层,从一定程度来讲,EDX能谱分析结果印证了金相法测试的表面粗大树枝晶组织厚度即为表面区域偏析层厚度。

偏析层的形成是由于在直接水冷的半连续铸造过程中,冷却强度极大,从而造成不平衡结晶程度增加,填充在枝晶间的和晶界尚未凝固的低熔点相,在收缩压力、熔液内部释出的气体压力、大气压力的作用下,沿着枝晶间和晶粒间隙流到铸锭表面层,形成逆偏析,一些所谓的低熔点相、易熔组成物富集在表层晶界。透过金相显微镜观察,可以观察到表面由一层非常致密的枝晶网络组成,这层致密的枝晶在二次加热时晶粒长大的过程中起到钉扎以及阻碍作用。

通过分析比较,Mg与Fe元素都超过了正常值范围之内,对表层几个重要的相进行能谱分析,通过图5主要相能谱可以分析计算得知,表层主要由FeAl3以及Mg2Si相组成。

2.3偏析层主要相的综合判定

根据以上实验,可以对偏析层主要相进行一个综合判定,见图6。根据参考文献[3,4]及能谱分析结果可知,试样1中的箭头所指方向为FeAl3相,未侵蚀时也可以分辨出来,在金相显微镜下成灰色长条形。试样2中箭头1所指的相为Mg2Si,箭头2所指的相为FeAl3。

3结论

(1) 表面偏析层的深度与树枝晶富集尺寸相吻合,在实际生产中可以简便地作为测量偏析厚度层深度值。

(2) 通过前面分析,表层富集Mg,达到正常值的两倍之多,Mg偏析易导致晶粒脆性增加,晶界开裂,需要严格控制Mg偏析层厚度。

(3) 在5052合金中,通过能谱分析结合金相分析,表层致密的枝晶网络主要为FeAl3以及Mg2Si相。

参考文献

[1]游文.2011易切削铝合金熔炼铸造工艺.铝加工,2003;148:15—20

[2]李建超,崔建忠,王宝峰,等.低频电磁铸造6063合金的数值模拟和实验研究.特种铸造以及有色合金,2006;26(2):87—89

[3]金相图谱编写组.变形铝合金金相图谱.北京:冶金工业出版社,1975

金相分析 篇8

近年来,建筑形式、设施多样化,生产工艺不断改进,各种电气设备和家用电器不断更新,使发生火灾的原因也日趋复杂,调查、认定火灾原因工作难度越来越大[1,2]。其中,电气火灾是一类重要的火灾(约占火灾总量的80%),在火灾原因和火灾直接经济损失方面都排在各类火灾统计数目的首位;而电气线路短路故障又是引发电气火灾的主要原因,短路又分为一次短路和二次短路,一次短路是指在没有火灾环境下产生的短路,二次短路则指在火灾环境中,由于火烧破坏绝缘层而发生短路,如何鉴别和判定短路熔痕的性质对分析火灾的原因和火灾事故认定至关重要[3,4]。

通常情况下,依据火灾现场的各种金属熔化的痕迹的形态和外观特性,可以初步判明了火灾是否是由于导线短路造成或其他原因引起。但是一次短路与二次短路所形成的熔痕在外观上没有明显差别,单靠以往经验的外观鉴定,有时很难区分二者,甚至出现误认为二次短路为电气引起火灾的错误结论。虽然一次短路和二次短路形成熔痕本质是相同的,但由于二者产生的外界环境不同,在它们各自形成的熔痕内部留下了可以区别的显微特征,采取电子显微镜金相分析方法,可以一定程度上地鉴别一次短路和二次短路熔痕[5,6]。

目前我国对金相分析方法进行了深入研究并形成了相关国家标准,标准中对火烧熔痕、一次短路熔痕、二次短路熔痕之间的金相显微组织做出了区别的定性描述,但缺乏相关对照标准图谱,各个火灾物证鉴定机构各自依据多年工作经验开展工作,主要采用描述性语句,对不同类别金相图进行描述,结合工作人员的经验进行判断,没有一个量化的统一标准,对于同一幅金相图,不同的鉴定人员可能得出不同的结论,甚至,同一幅金相图,同一个人在不同的时间段会做出不同的判断[7,8]。在火灾原因调查过程中,这种传统的方法主要靠人的肉眼结合个人经验对金相显微组织进行判断分类,对物证鉴定工作者的经验要求非常高,在一定程度上缺乏客观性和通用性,容易出现误判结果,而且对熔痕只有定性分析也不足以给火灾事故鉴定提供更多精确的信息,更可靠更精确的鉴别方法应该是对熔痕的显微特征参数进行定量分析,然而目前为止有关这方面的研究还处于起步研究阶段[9,10]。

本文结合当前电气火灾金相分析方法中的薄弱环节,提出了运用数字图像处理技术优化显微组织图像,引入描述显微组织特征的量化参数,提高金相分析准确性的研究思路,对一次短路铜导线熔痕进行模拟实验,实验设定不同的电流条件,制备熔痕样品,提取其金相组织特征参数,并进行统计分析,以实现金相微观组织特征参数和电流之间的关系图谱、数据对照,探讨一次短路熔痕鉴定分析的量化判据和规律。

1电气火灾一次短路实验

当线路发生短路时,短路电流突然间猛增,短路点处产生电弧,局部温度会达到2000-3000℃而使导线熔化,有部分气化产生很大的爆发力,使得熔化金属向周围喷溅,形成大大小小的熔珠。当导线承受的电流荷载不同,产生的熔珠熔痕有差异,其金相微观组织也不尽相同。本实验设定短路电流在大于安全电流的情况下取整数关系逐步增大,制作了不同电流条件下一次短路痕迹,利用金相显微镜进行观察,分析其金相组织在不同电流条件变化规律,提供分析鉴定的直观和量化判据。

基于1.5mm2铜导线在常温下的安全电流是15A,对其进行短路电流为100A到 300A(间隔为20A)共13种不同电流大小条件下的一次短路模拟实验。在导线短路后产生断裂,喷溅出熔珠火星现象后关闭电源,实验结束,收集形成的大小不等的导线熔痕或熔珠,重复进行三组同样条件的实验并制取样品。再对2.5mm2铜导线进行短路电流为200A到300A(间隔为20A)的一次短路实验,重复进行三组同样条件的实验并制取样品,实验条件见表1。

在实验过程中,如果是将导线顶端相互短接,则导线短路时间较短,往往是在一瞬间或持续不到1至2秒短接处熔断,线端的熔痕比较明显,呈现珠状圆头;当将导线中段相互短接,则导线短路时间较长,全线发热变红,在导线表面形成烧痕或导线熔断形成尖状熔痕。本实验主要以导线中段短接为主。

实验得到的熔珠熔痕用酒精清洗试样表面,用牙托粉和自凝牙托水调匀把样品凝固在紫铜管中制作金相试样;金相试样再经过打磨和抛光等工序,最后用FeiCl3盐酸溶液进行腐蚀,用莱卡金相显微系统(Leica DM5000)对样品晶粒形状、颜色、光泽、气孔等微观组织进行观察分析。

2实验结果与分析

2.1一次短路导线熔痕金相图谱

在Leica显微镜软件系统内选择合适的放大倍数后对金相显微组织进行图片摄取,并标上对应放大倍数的刻度尺(单位为微米),选取具有代表性的金相组织图片,形成不同电流条件下的一次短路熔痕金相图谱。

2.2一次短路熔痕的金相组织特征

依据以上金相组织图谱观察可见,一次短路熔痕金相显微组织组成成份主要是树枝晶柱状晶为主,并有细小的胞状晶,晶界细小,晶格分割明显。由于一次短路熔痕在形成时,其环境温度很低,在短路的瞬间,只有短路点处于高温(2000-3000℃)状态,而整个导线的温度约70℃,导线金相组织仍显示出方向性,熔珠与导线部分的衔接部位具有较明显的过渡区,过渡区的界限非常明显,如图1-19所示。

由于一次短路环境温度较低,冷却速度较快,凝固时间较短,熔痕内的气体来不及逸出体外,但是燃烧产物和水蒸气等不多,熔痕金相抛光面内部大部分气孔较小,孔洞形状大多是圆形的;同时,短路时间的长短对孔洞的数量也有影响,导线末端接触短路相比导线中端接触短路所产生的孔洞数目要多。

随着一次短路电流的增大,熔痕熔珠体积通常会变大,金相组织中晶粒尺寸变大,但到了电流一定大小的时候,导线因迅速短路熔断而使熔痕形成时间缩短,导致晶粒来不及长大而尺寸变小。

3金相组织特征参数定量分析

3.1金相组织平均粒径分析

晶粒大小是金相组织的一个重要标志,单位体积内晶粒的数目愈多,晶粒愈小,常用晶粒的平均直径作为衡量晶粒大小的参数指标。它有两种取法:每隔2°角度,作穿过晶粒质心的直径,取算术平均值;或在一个方向上取一段至少200个晶粒,取平均长度作为粒径。本文应用Image-Pro Plus图像处理软件,对金相组织图像进行预处理,图像处理过程包括:调整图像的亮度、对比度及伽马值,以及各种去噪处理方法如空域处理法、频域处理法等,最后针对金相组织晶粒进行轮廓追踪识别,并给每个识别出来的晶粒进行编号,测量每一个晶粒面积、周长等几何特征参数,进行统计分析。

(1)熔痕金相组织晶粒平均直径分布

对金相组织图片进行晶粒识别与统计分析,得到不同电流条件下熔痕金相组织晶粒平均直径分布状况,数据对比如图20、21,以晶粒平均直径在各分布区间所占比例进行统计。

通过图21比较分析可以发现,不同电流条件作用下,一次短路金相组织晶粒平均直径主要分布在较小的区域内,集中在0-50μm的区域,占85%以上。但随着电流的增大,晶粒数目在0-50μm的分布区域内先减少后增多,直径较大的区域内晶粒分布数目先增多后减少。

(2)电流与总体平均粒径关系

对金相组织图谱的平均直径进行晶粒统计分析,可以计算出不同短路电流作用下一次短路熔痕总体平均粒径大小,得出如图22所示的样条曲线,并经过曲线拟合,得出高斯拟合曲线。从以上曲线变化可得出初步结论:1.5mm2铜导线一次短路的电流值越大,铜导线承受的电能越大,短路点温度越高,再结晶速度越快,形成的熔痕晶粒就越粗大,同时晶粒间距增大,但如果电流过大到达某一极限值时(根据本次实验数据该极限值应在200A左右),短路反应时间过短,导线迅速熔断分开,晶粒形成长大所需时间弥补不上结晶速度,熔痕晶粒直径反而会减小,晶粒间距同时也会减小。同时,对2.5mm2铜导线在不同电流条件作用下的一次短路熔痕金相组织总体平均粒径进行统计分析,得到如图23变化曲线图。由于铜导线横截面积的增大,单位面积里铜导线所承受的电能相对减小,因此在200A至300A之间2.5mm2铜导线一次短路熔痕晶粒总体平均直径仍在不断增大,但增大幅度相对较小。因此,2.5mm2铜导线一次短路熔痕总体平均直径与短路电流大小的关系跟1.5mm2铜导线有相似的规律。

3.2金相组织孔洞平均直径分析

对金相组织图谱孔洞进行识别与统计分析,得到1.5mm2一次短路熔痕金相组织孔洞平均直径分布比例对比如图24、图25所示,同样以孔洞平均直径在各分布区间所占比例进行统计分析。

由于一次短路模拟实验周围环境较简单,且由于铜导线中段接触短路时间较长,各短路电流大小下得出的实验样品形成的孔洞数目普遍较少,孔洞直径分布范围集中在100μm以内。从熔痕孔洞平均直径分布比例图可以发现,孔洞直径分布跟晶粒直径分布有相似的规律,同样是集中在较小的直径区域内(0-20μm),但随着电流的增大,较小直径区域内孔洞数目所占比重减小,较大直径区域内的孔洞数目有所增加,到了某一极限值后(200A左右),较小直径孔洞数目所占比重又开始增加,但决定总体平均孔洞直径的因素仍然是较小直径区域范围内的孔洞数目。

对实验数据进行分析拟合,得出图26中的数据样条曲线和拟合曲线。从以下关系曲线图可以发现,总体平均孔洞直径刚开始随着电流的增大而增大,而当电流到达某一极限值时(根据本次实验数据该极限值应在 200A左右)孔洞总体平均直径随电流增大而减小,这一规律应是短路电流大小及短路反应时间综合影响所致。

4结论

(1)一次短路熔痕金相组织特征:呈细小的树枝晶、柱状晶、胞状晶、共晶体,晶界较细的特征。

(2)一次短路熔痕金相组织晶粒直径和短路电流的关系:随着一次短路电流的增大,导线熔痕粒径开始逐渐增大,晶粒间距增大,晶界变粗;当电流大小到达某一极限值时(180A至200A之间),导线熔痕开始因短路反应时间过短而粒径减小,晶界重新变细。

(3)一次短路熔痕金相组织孔洞和过渡区特征:熔珠金相抛光面内大部分孔洞规则呈圆形,在熔珠边缘或过渡区线上分布较多;随着电流增大,孔洞直径也呈现先增大后减小的规律,同样是在180A至200A之间出现最大值。

(4)实验中并非每个样品都符合以上晶粒、孔洞尺寸变化的规律,这与实验条件的控制、样品制作成果以及软件晶粒识别精确程度等因素有关。在实验中发现,模拟实验的环境对孔洞的产生影响较大,而导线触碰的位置会影响短路反应的时间,对实验结果也有较大的影响。对于金相图像中形状简单规则、晶界晶粒色彩分界清晰的组织,图像处理软件能根据晶粒和晶界不同的灰度值准确识别出晶粒,从而可以定量描述,但对于形状变化较大、色彩边界不明显的复杂组织,必须对其进行去噪、调整图片亮度、对比度及伽马值等图像预处理,提高晶粒识别准确度,但仍含有主观和视觉影响因素,对晶体分割和提取技术有待改进。

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气割对金相组织的影响 篇9

关键词：气割,金相组织

前言

Q690D是一种高强度结构钢, 在近期送检的Q690D钢样中, 出现了部分试样力学性能不合的情况。核查其工艺流程全部相同, 试样却有合格有不合格的。我们将不合的试样检出, 重点对其进行检验分析。

1.1 化学成分

钢板的化学成分见表1。

由表1中可见, 本次所取试样化学成分全部在标准范围之内。

1.2 力学性能测试结果见表2

1.3 金相检验

由表2的力学性能检验中发现, 7#及8#样品屈服强度和抗拉强度偏高, 冲击功偏低, 取这两支试样, 由边部切割1cm*1cm作为金相试样。试样经镶嵌后, 磨制及抛光, 用4%硝酸酒精溶液浸蚀, 由金相组织图可以看出, 试样本身金相组织为铁素体和珠光体, 晶粒细小, 约为10～12级。试样表面经过气割后组织发生了明显的变化。试样表面有明显分区, 表面为珠光体和铁素体, 晶粒度为9级;过渡区为魏氏组织, 厚度平均为200微米;向内魏氏组织逐渐减少, 内部为试样本身的正常组织。

2 结果分析与讨论

气割是利用氧-乙炔将割缝金属加热到能够在氧气流中燃烧的温度 (燃点) , 然后开放切割氧, 使割缝金属燃烧, 氧化成熔渣, 并从切口中吹掉, 从而将金属分离的过程。气割设备简单, 操作灵活方便, 适应性强, 生产率高。低碳钢、中碳钢和普通低合金钢等都能顺利地进行气割, 因此气割被广泛地用于钢板下料的切除。在金相检验的取样过程中, 也不可避免的利用气割来切取试样。

在气割的过程中, 样品受切割焰的高温影响, 表层熔融, 快速冷却的过程中形成粗细均匀的等轴晶, 形成晶粒均匀的铁素体和珠光体。

魏氏组织是指在实际生产中, 含碳量小于0.6%或者大于1.2%的钢在铸造、热轧、锻造后空冷, 焊缝或热影响区空冷, 或者当加热温度过高, 并以较适当的速度冷却时, 先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界生长出来的近于平行的或者其他规则排列的针状铁素体或渗碳体加珠光体组织。他们分别称为铁素体魏氏组织和渗碳体魏氏组织。

魏氏组织形成过程中不光有先共析相的析出, 而且有碳原子的扩散, 除了存在有粗大奥氏体外, 还应当有先共析相单向形核长大的条件, 在熔融区与魏氏组织的过渡区之间, 有很明显的脱碳和增碳区, 满足了魏氏组织形成的条件。

气割过程中靠近熔融区的位置温度过高, 使奥氏体晶粒发生严重的长大现象, 在冷却的的过程中, 由于这部分区域在熔融区与内部不受切割焰热影响的区域之间, 所以冷却速度比较适中, 这种条件下, 奥氏体会形成一种特殊的组织, 其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体 (渗碳体) 针片, 在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体, 这种过热组织就称为铁素体 (渗碳体) 魏氏组织。

不同级别的魏氏体会产生不同的性能, 大多数情况下是有害的, 魏氏组织不仅晶粒粗大, 而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面, 使金属的韧性急剧下降。

3 结论