计算机图像处理系统在定量金相分析中的应用-株洲时代新材料科技

定量金相分析技术在球墨铸铁金相试验的应用
郑胜峰田世英刘石亮周淑华
（株洲时代新材料科技股份有限公司，技术中心）
摘要定量金相分析技术是建立在计算机技术和模式识别技术上的一种新的金相分析技术。

对于球墨铸铁金相检验内容，传统分析方法是运用国标GB/T 9441-1988中标准图片对比法进行评定的，评定时带有很大的主观性，定量金相分析技术可实现定量计算，其操作简单，结果准确，避免了人为误差。

关键词：定量金相分析，图像，球墨铸铁，石墨，珠光体
THEAPPLICATION OF QUANTITATIVE METALLOGRAPHIC ANALYSIS TECHNIQUE IN
NODULAR CAST IRON METALLOGRAPHIC
EXAMINATION
Zheng Seng-feng，Tian Shi-ying，Liu Shi-liang，Zhou Shu-hua
(Technical Center of Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd) Abstract: As a new metallographic analysis technique based on computer science and pattern recognition technology, quantitative metallographic analysis technique is used in nodular cast iron metallographic examination. Comparing with traditional analytic procedure which assesses metallographs by standard images antitheses according to GB/T9441-1988, quantitative metallographic analysis technique is featured with quantitative calculation, easier handle, more objective and less artificial error.
Keyword：quantitative metallographic analysis; image; nodular cast iron; graphite; pearlite
球墨铸铁是一种非常重要的金属材料，其强度高,可以和中碳钢媲美,且有一定的塑性和良好的韧性，被广泛来制作一些强韧性要求高且形状复杂的工件。

随着球墨铸铁应用范围的增加，其金相检验要求也更加严格，对球化分级、石墨大小、珠光体数量、分散分布的铁素体数量、磷共晶数量和渗碳体数量都提出了定量的要求。

近年来，计算机技术被广泛地应用于金相分析中，使得传统的金相分析技术从定性的工作状态逐步向定量金相分析方向发展，本文主要介绍了定量金相分析技术在球墨铸铁金相检验中的应用。

1、定量金相分析技术的原理简介
定量金相分析系统主要由金相显微镜、图像采集器（CCD摄像机）、计算机和图像分析软件组成。

金相显徽镜和图像采集器（CCD摄像机）组成的光学成像软件，其作用是使金相试样形成图像。

金相显微镜可直接对金相试样进行定性金相分析，为了能实现定量分析须用计算机存贮图像，用图像
分析软件对图像进行处理和分析。

图像是由不同灰度的点组成，用数学符号表示为i＝i（x,y），x、y 为图像上像素点的坐标，i表示其灰度值。

图像分析软件通过对存贮图像中各个点灰度的不同来区分图像的组成。

图像分析软件根据数字图像中需测量特征的灰度值范围，设定灰度值阈值T。

对于数字图像中任何一个像素点，若其灰度大于或等于T，则用白色（灰度值255）来代替它原来的灰度；若小于T则用黑色（灰度值0）来代替原来的灰度，可以把灰度图像转化为只有黑、白两种灰度的二值图像，然后再对图像进行必要的处理，使图像分析软件能方便对二值图像进行粒子计数、面积、周长等测量，之后按照相关金相检验标准对图像进行定量的分析。

2、试验
依据国标GB/T 9441-1988，球墨铸铁金相检验内容有球化等级、石墨大小、珠光体数量、分散分布的铁素体数量、磷共晶数量和渗碳体数量，这些检验内容可分为两大类：一、球墨铸铁的球化率和石墨大小；二、基体中第二相的检验。

笔者用Laica 金相显微镜和SISC IAS8.0显微图像分析软件对地铁轨道减振器（QT400-15）质量抽检样的球墨铸铁的球化率和石墨大小和珠光体数量分别进行了检验。

2.1 球墨铸铁的球化等级和石墨大小的检验2.1.1 球墨铸铁中石墨的球化等级和石墨大小评定依据
球墨铸铁中石墨的球化等级对其机械性能影响较大，因此，评定石墨球化等级是其金相检验中的一个重要项目，通常采用比较法，定量分析法则用于仲裁。

球化等级的是根据球化率的结果来评定的，国标GB/T 9441-1988的表1中有相应的对照数据，在计算球化率之前，须先求得视场中单颗石墨面
积率，即：
(1)
石墨的实际面积
单颗石墨的面积率=
石墨的最小外接圆面
然后依照国标GB/T 9441-1988面积率附录A1换算
成每颗石墨的形状系数n
x
（x=1.0,0.8,0.6,0.3,0），按国标GB/T 9441-1988中的公式计算该视场的球化率，即：
石墨球花率=（1×n1.0＋0.8×n0.8＋0.6×n0.6＋
0.3×n0.3＋0×n0）/(n1.0＋n0.8＋n0.6＋n0.3＋n0)（2）
GB/T 9941-1899的规定，石墨大小分为6级，石墨大小按石墨颗粒的直径来区分的，石墨大小分级别对应石墨颗粒直径在GB/T9441-1988的（表2）中有明确的说明。

2.1.2 图片采集和处理
现给出在同一QT400-15试样上任意采集的两张100倍的球墨铸铁的金相照片（未腐蚀），如图1和2所示：
图1 未腐蚀球墨铸铁金相
Fig.1 Metallograph of uncorroded
nodular cast iron
图2 未腐蚀球墨铸铁金相
Fig.2 Metallograph of uncorroded nodular cast iron
用金相分析软件对金相图片图1和图2进行二值分割，把石墨颗粒（颜色变浅的部分）提取出来，之后根据国标GB/T 9441-1988的要求剔除处在图片边界上的石墨颗粒，并利用图像分析软件中的“筛选”功能去掉细小的石墨颗粒及类似杂质，这样就得到了可以真实反映球墨铸铁石墨等级及大小的金相图片，如图3和图4。

图3 图1经图象分析软件处理后
Fig.3 Appearance of Fig.1 analyzed by
image analysis software
图4 图2经图象分析软件处理后
Fig.4 Appearance of Fig.2 analyzed by
image analysis software
2.1.3 结果
处理完上述图片后就可以用图像分析软件对其进行定量的分析，把图3和图4分别加入图像分析软件的分析区，点击工作区中的“石墨大小及形态评级”，图像分析软件对每一颗所选石墨进行编号，并按照公式（1）计算所选定的每颗石墨的面积率，按照公式（2）计算球化率并得出球化等级。

另外，图像分析软件同时按GB/T 9441-1988的要求对每一颗所选定的石墨的大小进行统计，得出球化大小级别，球化等级和球化大小即可同时得出结果，图1和图2的球化等级都为3级，石墨大小级别都为6级，分析结果输出如表1和表2所示。

表1 图1的分析结果
Tab.1 Analysis results of Fig.1
检验项目球墨铸铁金相检验-
球化与大小分级
执行标准GB/T 9441-1988
球化率0.894
直径最大值0.071953mm
直径最小值0.020013mm
直径平均值0.034724mm
球化等级3级
大小等级6级
表2 图2的分析结果
Tab.2 Analysis results of Fig.2
检验项目
球墨铸铁金相检验-
球化与大小分级
执行标准GB/T 9441-1988
球化率0.897
直径最大值0.080624mm
直径最小值0.020145mm
直径平均值0.035039mm
球化等级3级
大小等级6级
2.2 球墨铸铁基体中第二相的检验
球墨铸铁基体中第二相的检验包含有珠光体数量、分散分布的铁素体数量、磷共晶数量和渗碳体数量，它们都是通过计算基体中第二相（如珠光体）的百分含量来评定其（珠光体）级别，定量金相分析技术为这些项目的检测提供了更为准确的数据。

2.1.1基体中第二相级别的评定依据
现以球墨铸铁基体中珠光体数量分级检验为例，依据GB/T9441-1988规定，珠光体数量分级以珠光体在基体中的百分含量为基准，具体见表3。

2.1.2 图片处理
现给出同一试样上任意采集的两张100倍的金相照片（已腐蚀），见图5和图6。

表3 珠光体数量分级
Tab.3 pearlite quantity grade 级别
珠光体数量 珠95 ＞90 珠85 ＞80～90 珠75 ＞70～80 珠65 ＞60～70 珠55 ＞50～60 珠45 ＞40～50 珠35 ＞30～40 珠25 ≈25 珠15 ≈15 珠10 ≈10 珠5
≈5
图5 经腐蚀球墨铸铁金相
Fig.5 Metallograph of
corroded nodular cast iron
图6 经腐蚀球墨铸铁金相
Fig.6 Metallograph of corroded nodular cast iron 对图5和图6进行二值分割，选出珠光体（颜色变浅的部分），如图7和图8所示。

图7 图5经图象分析软件处理后 Fig.7 Appearance of Fig.5 analyzed by
image analysis software
图8 图6经图象分析软件处理后 Fig.8 Appearance of Fig.6 analyzed by
image analysis software
2.2.3 结果
将图7和图8分别加入到图像分析软件的球墨铸铁金相检验的定量分析区，点击“珠光体数量测量”， 图像分析软件计算出所选珠光体的面积并求出其所占总面积的百分比，图5和图6中珠光体含量分别为3.41％和3.25％，珠光体含量级别均为 “珠5”，结果见表4、表5。

表4 图5的分析结果
Tab.4 Analysis results of Fig.5
检验项目
珠光体含量测定 执行标准 GB/T 9441-1988
有效视场数 1 珠光体含量 3.41％ 珠光体含量分级
珠5
表5 图6的分析结果
Tab.5 Analysis results of Fig.6
检验项目珠光体含量测定
执行标准GB/T 9441-1988
有效视场数 1
珠光体含量 3.25％
珠光体含量分级珠5
3、结果分析及讨论
（1）图片的详细分析结果见表6。

从表6中可以看出图1和2的各项分析结果相差都非常小，球化率相差0.003，直径的最大值、最小值h和平均值相差分别为0.008671mm、0.00132mm和0.000315mm，球化等级和石墨大小结果一致；图5和图6的结果误差同样很小，珠光体含量只相差0.16％，珠光体含量分级结果一致；两组数据差别很小，得出结论一致，实现了定量分析
（2）以上两组数据都是通过对两张图片进行分析得出的结果，如果要得到更为理想的数据，可多采集视场，然后进行统计计算，统计计算过程软件会自动完成，对于分析多少个视场较为合适并达到更为理想的效果，目前还没有相关标准做明确的说明。

表6 图像分析结果
Tab.6 Analysis results of metallographs
－－
2 0.897 0.080624 0.020145 0.035039
3 6 －－
5 －－－－－－ 3.41 珠5
6 －－－－－－ 3.25 珠5
4、结束语
（1）定量金相分析技术可以按GB/T
9441-1988的要求检测球墨铸铁全部的金相检测
项目，并可得出准确的定量分析结果。

(2 ) 金相检测已逐渐由定性到了定量检测的
转变，需有相关标准加以规范，促进其更快发展。

参考文献：
[1] GB/T 9441-1988 球墨铸铁金相检验
[2] 球墨铸铁金相图谱美国铸造师学会1988。