測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，包括以下步驟：試樣準(zhǔn)備、圖像拍攝、圖像預(yù)處理、第二相邊界提取、最近鄰第二相識別、第二相最近鄰距離計算、最近鄰距離統(tǒng)計。本發(fā)明采用背散射電子像作為分析對象，節(jié)約了制樣時間，提高了后續(xù)測量工作的準(zhǔn)確性。本方法計算的分布參數(shù)定義更加直觀、物理意義準(zhǔn)確清晰，更適用于描述形狀、取向均有一定隨機(jī)性的第二相或雜質(zhì)的分布特征。利用圖像處理方法自動計算殘留第二相的分布參數(shù)，降低人工成本，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)約了大量的工作時間。本發(fā)明提出的方法具有通用的研究和應(yīng)用價值。本發(fā)明也適用于夾雜相元素分布與基體不同的其他金屬及非金屬材料中夾雜相特征分析。
【專利說明】
測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于一種理化檢驗方法，具體涉及測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬合金尤其是鋁合金由于具有高比強(qiáng)度和低密度等優(yōu)點，已成為航空航天領(lǐng)域、軍事、交通運(yùn)輸及其他工業(yè)領(lǐng)域中最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。常規(guī)鋁合金由于采用熔煉鑄造工藝制備，添加的某些合金元素容易在晶界位置處偏析，粗大的殘留第二相顆粒成為應(yīng)力集中和裂紋萌生之處。鋁合金組織中殘留第二相的數(shù)量、尺寸、形狀及聚集程度等分布特征參數(shù)對鋁合金的斷裂韌性、拉伸延性、應(yīng)力腐蝕開裂均有顯著影響。
[0003]體視學(xué)方法是一種通過二維截面的測量來推斷或表征材料三維顯微結(jié)構(gòu)特征的方法。在測定金屬材料第二相分布特征參數(shù)方面，我國早在2002年頒布了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 18876.1-2002應(yīng)用自動圖像分析測定鋼和其他金屬中金相組織、夾雜物含量和級別的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法第I部分:鋼和其他金屬中夾雜物或第二相組織含量的圖像分析與體視學(xué)測定”。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)記述了測量殘留第二相某一方向(一般為加工方向)平均自由程的測量原理與實現(xiàn)方法。但是由于鋁合金中殘留第二相的形狀、取向存在一定的隨機(jī)性，長軸方向不一定平行于同一方向，“GB/T 18876.1-2002”定義某一方向的平均自由程分布用于描述殘留第二相的聚集程度，物理意義不明確，現(xiàn)有的國標(biāo)方法測量鋁合金容易產(chǎn)生誤差。此夕卜，當(dāng)需要測量的鋁合金內(nèi)部殘留第二相數(shù)量較多(數(shù)千甚至數(shù)萬)時，人工逐點檢測速度較慢且容易產(chǎn)生錯誤，嚴(yán)重影響殘留第二相檢測的準(zhǔn)確性及效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出，其目的是提供測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，包括以下步驟:
(i)試樣準(zhǔn)備
對合金試樣的剖面精磨、簡單拋光，保證試樣表面無明顯劃痕；
(ii )圖像拍攝
利用掃描電鏡或電子探針的背散射探頭，在300X-3000X的放大倍數(shù)下，拍攝合金試樣感興趣區(qū)域殘留第二相的背散射電子像，每個區(qū)域拍攝的背散射電子像照片不少于5張；(m)圖像預(yù)處理
將步驟(?)中背散射電子像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化處理，采用開、閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)處理方法，去除二值化圖像的噪點，消除第二相內(nèi)部的小空洞，獲得完整合金組織的二值化圖像；
(iv)第二相邊界提取采用基于八鄰域連通的曲線跟蹤算法，對步驟(m)中二值化圖像中的合金殘留第二相進(jìn)行邊界識別，并將殘留第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的數(shù)組中；
(V )最近鄰第二相識別
以步驟(iv)中邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組均值作為殘留第二相的質(zhì)心坐標(biāo)，計算合金組織中每個殘留第二相與周圍第二相的距離，標(biāo)記最近鄰的第二相并存儲最近鄰第二相的質(zhì)心坐標(biāo)；
(Vi)第二相最近鄰距離計算
分別提取出最近鄰兩個第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組，計算來上述邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組之間的最短距離，此最短距離定義為上述兩個第二相之間的最近鄰距離；
(vii)最近鄰距離統(tǒng)計
計算一系列照片中不同殘留第二相的最近鄰距離，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布，即可獲得合金中殘留第二相最近鄰距離分布。
[0006]所述步驟(iii)中二值化的閾值可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié);開、閉運(yùn)算中所采用的結(jié)構(gòu)元素可以為圓型、八邊型和正方型，其中結(jié)構(gòu)元素的類型和尺寸大小可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié)。
[0007]所述步驟(iv)中所述八鄰域連通的曲線跟蹤算法，包括以下步驟:
(a)將二值化圖像中背景顏色設(shè)置為黑色，第二相顏色設(shè)置為白色，在二值圖像上按從左到右，從下到上的順序搜索，找到第一個白點，該點一定是最左下方的邊界點，記為Ao;
(b)如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點全是黑點，說明Ao點為孤立點，Ao點也就是所代表第二相的全部邊界點；如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點中至少有一個是邊界點，將該點記為Bo，從Bo開始，按照右、右上、上、左上、左、左下、下、右下的順序找相鄰點中的邊界點Co，如果Co點就是Ao點，則表明已經(jīng)圍繞一個第二相質(zhì)點轉(zhuǎn)了一圈，尋找結(jié)束；否則從Co點繼續(xù)找，直到找到Ao點為止;判斷是否邊界點:如果某白點的上下左右四個鄰點不都是白點則該白點即為邊界點。
[0008](c)獲取的邊界點坐標(biāo)存儲于二維數(shù)組中，剔除二維數(shù)組中重復(fù)的邊界點坐標(biāo)，沿數(shù)組行或列的方向，對數(shù)組數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小關(guān)系重新排序；
(d)對比步驟(C)中重新排序后的邊界點坐標(biāo)數(shù)組，剔除其中重復(fù)的坐標(biāo)數(shù)組，剩余的數(shù)組數(shù)據(jù)即為二值化圖像中殘留第二相邊界點坐標(biāo)數(shù)組。
[0009]本發(fā)明采用背散射電子像作為分析對象，試樣不需要長時間的精細(xì)拋光，節(jié)約了大量的制樣時間，同時也更加準(zhǔn)確地分辨出第二相和合金基體的邊界區(qū)域，提高了后續(xù)測量工作的準(zhǔn)確性。
[0010]對比原有國家標(biāo)準(zhǔn)，本方法計算的分布參數(shù)定義更加直觀、物理意義準(zhǔn)確清晰，更適用于描述形狀、取向均有一定隨機(jī)性的第二相或雜質(zhì)的分布特征。
[0011]利用圖像處理方法自動計算殘留第二相的分布參數(shù)，降低人工成本，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)約了大量的工作時間。
[0012]本發(fā)明提出的方法具有通用的研究和應(yīng)用價值。本發(fā)明不僅適用于合金材料的殘留第二相特征分析，也適用于夾雜相元素分布與基體不同的其他金屬及非金屬材料中夾雜相特征分析。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
圖2是本發(fā)明實施例1中部分區(qū)域的背散射電子像；
圖3是本發(fā)明實施例1中部分區(qū)域的二值化圖像；
圖4是本發(fā)明實施例1中第二相邊界提取后的局部放大圖；
圖5是本發(fā)明實施例1中第二相最近鄰距離分布圖。
【具體實施方式】
[0014]以下，參照附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
如圖1所示，測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，包括以下步驟:
(i)試樣準(zhǔn)備
對合金試樣的剖面精磨、簡單拋光，保證試樣表面無明顯劃痕；
(ii )圖像拍攝
利用掃描電鏡或電子探針的背散射探頭，在300X-3000X的放大倍數(shù)下，拍攝合金試樣感興趣區(qū)域殘留第二相的背散射電子像，每個區(qū)域拍攝的背散射電子像照片不少于5張；(m)圖像預(yù)處理
將步驟(?)中背散射電子像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化處理，采用開、閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)處理方法，去除二值化圖像的噪點，消除第二相內(nèi)部的小空洞，獲得完整合金組織的二值化圖像；
(iv)第二相邊界提取
采用基于八鄰域連通的曲線跟蹤算法，對步驟(m)中二值化圖像中的合金殘留第二相進(jìn)行邊界識別，并將殘留第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的數(shù)組中；
(V )最近鄰第二相識別
以步驟(iv)中邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組均值作為殘留第二相的質(zhì)心坐標(biāo)，計算合金組織中每個殘留第二相與周圍第二相的距離，標(biāo)記最近鄰的第二相并存儲最近鄰第二相的質(zhì)心坐標(biāo)；
(Vi)第二相最近鄰距離計算
分別提取出最近鄰兩個第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組，計算來上述邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組之間的最短距離，此最短距離定義為上述兩個第二相之間的最近鄰距離；
(vii)最近鄰距離統(tǒng)計
計算一系列照片中不同殘留第二相的最近鄰距離，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布，即可獲得合金中殘留第二相最近鄰距離分布。
[0015]所述步驟(m)中二值化的閾值可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié);開、閉運(yùn)算中所采用的結(jié)構(gòu)元素可以為圓型、八邊型和正方型，其中結(jié)構(gòu)元素的類型和尺寸大小可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié)。
[0016]所述步驟(iv)中所述八鄰域連通的曲線跟蹤算法，包括以下步驟:
(a)將二值化圖像中背景顏色設(shè)置為黑色，第二相顏色設(shè)置為白色，在二值圖像上按從左到右，從下到上的順序搜索，找到第一個白點，該點一定是最左下方的邊界點，記為Ao; (b)如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點全是黑點，說明Ao點為孤立點，Ao點也就是所代表第二相的全部邊界點；如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點中至少有一個是邊界點，將該點記為Bo，從Bo開始，按照右、右上、上、左上、左、左下、下、右下的順序找相鄰點中的邊界點Co，如果Co點就是Ao點，則表明已經(jīng)圍繞一個第二相質(zhì)點轉(zhuǎn)了一圈，尋找結(jié)束；否則從Co點繼續(xù)找，直到找到Ao點為止;判斷是否邊界點:如果某白點的上下左右四個鄰點不都是白點則該白點即為邊界點。
[0017](c)獲取的邊界點坐標(biāo)存儲于二維數(shù)組中，剔除二維數(shù)組中重復(fù)的邊界點坐標(biāo)，沿數(shù)組行或列的方向，對數(shù)組數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小關(guān)系重新排序；
(d)對比步驟(C)中重新排序后的邊界點坐標(biāo)數(shù)組，剔除其中重復(fù)的坐標(biāo)數(shù)組，剩余的數(shù)組數(shù)據(jù)即為二值化圖像中殘留第二相邊界點坐標(biāo)數(shù)組。
[0018]實施例1
選取7075招合金板材作為合金試樣。
[0019](i)在7075鋁合金板材沿擠壓方向切取塊狀試樣，按常規(guī)的金相制樣方法對鋁合金試樣剖面粗磨、精磨，然后對試樣進(jìn)行簡單拋光至表面無明顯劃痕為止。
[0020]( ? )如圖2所示，利用掃描電鏡，在300Χ的放大倍數(shù)下，拍攝鋁合金試樣感興趣區(qū)域殘留第二相的背散射電子像，選取5個不同區(qū)域，每個區(qū)域拍攝的背散射電子像照片6張。圖2即為試樣某一區(qū)域的300Χ背散射電子像。
[0021](m)如圖3所示，將背散射電子像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化處理，閾值設(shè)定為0.5;選擇開、閉運(yùn)算的結(jié)構(gòu)元素為圓形，元素尺寸大小為2，去除二值化圖像的噪點，消除第二相內(nèi)部的小空洞，獲得完整的鋁合金組織的二值化圖像。圖3即為二值化后的試樣圖像。
[0022](iv)采用基于八鄰域連通的曲線跟蹤算法，對二值化圖像中的鋁合金殘留第二相進(jìn)行邊界識別，二值化圖像中背景顏色設(shè)置為黑色，第二相顏色設(shè)置為白色。在二值圖像上按從左到右，從下到上的順序搜索，找到第一個白點，該點一定是最左下方的邊界點，記為Ao。如果它的右、右上、上、左上等四個相鄰點全是黑點，說明該點為孤立點，該點也就是所代表第二相的全部邊界點。如果右、右上、上、左上等四個相鄰點中至少有一個是邊界點，記為Bo ο從Bo開始，按照右、右上、上、左上、左、左下、下、右下的順序找相鄰點中的邊界點Co ο如果Co點就是Ao點，則表明已經(jīng)圍繞一個第二相質(zhì)點轉(zhuǎn)了一圈，結(jié)束;否則從Co點繼續(xù)找，直到找到Ao點為止。判斷是否邊界點:如果它的上下左右四個鄰點不都是白點則該點即為邊界點。獲取的邊界點坐標(biāo)存儲于二維數(shù)組中。剔除二維數(shù)組中重復(fù)的邊界點坐標(biāo)。沿數(shù)組行或列的方向，對數(shù)組數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小關(guān)系重新排序;對比重新排序后的邊界點坐標(biāo)數(shù)組，剔除其中重復(fù)的坐標(biāo)數(shù)組，剩余的數(shù)組數(shù)據(jù)即為二值化圖像中殘留第二相邊界點坐標(biāo)數(shù)組。圖4即為鋁合金試樣中殘留第二相邊界提取后的局部放大圖。
[0023]( V )以邊界點坐標(biāo)數(shù)組均值作為殘留第二相的質(zhì)心坐標(biāo)，計算鋁合金組織中每個殘留第二相與周圍第二相的距離，標(biāo)記最近鄰的第二相并存儲最近鄰第二相的質(zhì)心坐標(biāo)。
[0024](vi)分別提取出最近鄰的兩個第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)組，計算來自這兩個不同數(shù)組邊界點之間的最短距離，此最短距離定義為上述兩個第二相之間的最近鄰距離。
[0025](vii)計算來自同一試樣的30張照片中共計6039個殘留第二相的最近鄰距離，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布，即可獲得該鋁合金試樣中的殘留第二相最近鄰距離分布，圖5即為殘留第二相最近鄰距離分布的分布圖。
[0026]本發(fā)明采用背散射電子像作為分析對象，試樣不需要長時間的精細(xì)拋光，節(jié)約了大量的制樣時間，同時也更加準(zhǔn)確地分辨出第二相和合金基體的邊界區(qū)域，提高了后續(xù)測量工作的準(zhǔn)確性。
[0027]對比原有國家標(biāo)準(zhǔn)，本方法計算的分布參數(shù)定義更加直觀、物理意義準(zhǔn)確清晰，更適用于描述形狀、取向均有一定隨機(jī)性的第二相或雜質(zhì)的分布特征。
[0028]利用圖像處理方法自動計算殘留第二相的分布參數(shù)，降低人工成本，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)約了大量的工作時間。
[0029]本發(fā)明提出的方法具有通用的研究和應(yīng)用價值。本發(fā)明不僅適用于合金材料的殘留第二相特征分析，也適用于夾雜相元素分布與基體不同的其他金屬及非金屬材料中夾雜相特征分析。
【主權(quán)項】
1.測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，其特征在于:包括以下步驟: (i)試樣準(zhǔn)備 對合金試樣的剖面精磨、簡單拋光，保證試樣表面無明顯劃痕； (ii )圖像拍攝 利用掃描電鏡或電子探針的背散射探頭，在300X-3000X的放大倍數(shù)下，拍攝合金試樣感興趣區(qū)域殘留第二相的背散射電子像，每個區(qū)域拍攝的背散射電子像照片不少于5張；(m)圖像預(yù)處理 將步驟(?)中背散射電子像進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換、二值化處理，采用開、閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)處理方法，去除二值化圖像的噪點，消除第二相內(nèi)部的小空洞，獲得完整合金組織的二值化圖像； (iv)第二相邊界提取 采用基于八鄰域連通的曲線跟蹤算法，對步驟(m)中二值化圖像中的合金殘留第二相進(jìn)行邊界識別，并將殘留第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲于相應(yīng)的數(shù)組中； (V )最近鄰第二相識別 以步驟(iv)中邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組均值作為殘留第二相的質(zhì)心坐標(biāo)，計算合金組織中每個殘留第二相與周圍第二相的距離，標(biāo)記最近鄰的第二相并存儲最近鄰第二相的質(zhì)心坐標(biāo)； (Vi)第二相最近鄰距離計算 分別提取出最近鄰兩個第二相的邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組，計算出上述邊界點坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)組之間的最短距離，此最短距離定義為上述兩個第二相之間的最近鄰距離； (vii)最近鄰距離統(tǒng)計 計算一系列照片中不同殘留第二相的最近鄰距離，統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布，即可獲得合金中殘留第二相最近鄰距離分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，其特征在于:所述步驟(m)中二值化的閾值可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié);開、閉運(yùn)算中所采用的結(jié)構(gòu)元素可以為圓型、八邊型和正方型，其中結(jié)構(gòu)元素的類型和尺寸大小可以根據(jù)圖形需要自由調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量合金殘留第二相最近鄰距離分布的體視學(xué)方法，其特征在于:所述步驟(iv )中所述八鄰域連通的曲線跟蹤算法，包括以下步驟: (a)將二值化圖像中背景顏色設(shè)置為黑色，第二相顏色設(shè)置為白色，在二值圖像上按從左到右，從下到上的順序搜索，找到第一個白點，該點一定是最左下方的邊界點，記為Ao; (b)如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點全是黑點，說明Ao點為孤立點，Ao點也就是所代表第二相的全部邊界點；如果Ao點的右、右上、上、左上等四個相鄰點中至少有一個是邊界點，將該點記為Bo，從Bo開始，按照右、右上、上、左上、左、左下、下、右下的順序找相鄰點中的邊界點Co，如果Co點就是Ao點，則表明已經(jīng)圍繞一個第二相質(zhì)點轉(zhuǎn)了一圈，尋找結(jié)束；否則從Co點繼續(xù)找，直到找到Ao點為止;判斷是否邊界點:如果某白點的上下左右四個鄰點不都是白點則該白點即為邊界點； (C)獲取的邊界點坐標(biāo)存儲于二維數(shù)組中，剔除二維數(shù)組中重復(fù)的邊界點坐標(biāo)，沿數(shù)組行或列的方向，對數(shù)組數(shù)據(jù)按照數(shù)值大小關(guān)系重新排序； (d)對比步驟(C)中重新排序后的邊界點坐標(biāo)數(shù)組，剔除其中重復(fù)的坐標(biāo)數(shù)組，剩余的數(shù)組數(shù)據(jù)即為二值化圖像中殘留第二相邊界點坐標(biāo)數(shù)組。
【文檔編號】G06T5/00GK106097363SQ201610443588
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】李昂, 吳雷, 趙凱, 韓秋良, 高蔚, 吳福, 鄭曉靜
【申請人】核工業(yè)理化工程研究院