基于Image J的球铁石墨定量分析

2013-11-20 09:56宗晓明李继峰肖伯涛
铸造设备与工艺 2013年5期
关键词:灰度石墨像素

宗晓明,李继峰,肖伯涛

(1.洛阳轴研科技股份有限公司,河南洛阳 471039;2.华中科技大学,湖北 武汉 430074)

球墨铸铁中的石墨呈球状,对基体的削弱和造成应力集中很小,故强度高,又有良好的塑性和韧性,而且铸造性能好、成本低、生产方便,在工业上应用广泛。石墨球的数量、圆整度、大小、分布对球铁的力学性能有显著的影响。因此,对于球铁中石墨的定量分析有着重要的意义。

近几年,一些国家开发了功能齐全的金相组织分析系统,但由于价格过于昂贵,许多企业无力承担。ImageJ图像分析软件是美国国家心理健康研究所(National Instituteof Mental Health)开发的免费科学图像分析工具,现广泛应用于金相分析领域(可从http://rsb.info.nih.gov/ij/处下载到)。ImageJ软件可以计算区域内分析对象的一系列几何特征。分析指数包括:长度、角度、周长、面积、长轴、短轴、圆度、最佳椭圆拟合、最小外接矩形拟合以及质心坐标等。此外,ImageJ软件还支持插件技术,用户可根据自身需求用java语言编写各种几何特征分析程序[1]。

目前对于球铁内石墨形态与分布多是定性或半定量分析,具有较强的主观性,本文利用图形处理软件ImageJ,并运用体视学原理,对球铁石墨进行了精确的分析,探索了一种研究球铁石墨分布与形态的方法。本研究的特点有:

1)分析精确,在微米单位上对球铁石墨进行各项参数分析。

2)设备简单,仅在现有光学显微系统的基础上,运用图像处理软件,即可完成。

3)为球铁材料性能研究提供了详实的数据基础和有力的理论支持,适用领域广泛。

1 球铁石墨的图像处理

图1 为进行球铁石墨分析的流程图,包括图像的获取、图像前处理、获得2值图、设定比例及石墨分析,本实验的石墨图像通过MDS型金相显微镜获得。

图1 分析流程图

1.1 图像的前处理

金相显微镜抓取的球铁石墨图片为真彩色图,首先应将其转化为256阶灰度图即8-bit图(见图2 a))。其后对图像进行降噪处理,这里采用中值滤波(median filter),中值滤波的最大的优点是在过滤噪声的同时,还能很好地保护边缘轮廓信息,滤波对图像的影响不大,滤波半径选取2个像素(如图2 b)).

图2 图像的前处理

1.2 二值图的获得

为了实现对石墨定量统计,首先要进行图像分割,图像分割的目的在于要将256阶灰度图转变为仅有黑(灰度值为0)和白(灰度值为1)两种颜色构成的所谓二值图,方便以后的计算.这一过程是通过选取适当的灰度阀值(thres hold)来实现,超过阀值部分的灰度重新分配以最大灰度(即白色),而低于阀值的部分则分配以最小灰度(即黑色)。在球铁金相图中,亮的部分为基体,暗的部分为石墨球,在调整阀值时,把石墨转变为黑色(值为0),而把基体转变为白色(值为1),这样,得到的图像就成了黑白二色图[2],如图3 d)所示。在具体分割时,经过对分割前后的照片的反复对照比较,确定最佳的阀值在40~50之间,根据具体图像略有变化(图3).

1.3 比例的设定

图3 二值图的获得

对图像参数的测量由ImageJ自带的功能完成,在测定之前首先要进行真实尺寸的标定。使像素与实际尺寸建立对应关系,不同金相显微镜获得的图像实际大小是不同的,在本例分析中,金相显微镜采集图像的实际大小为1024 μm×768 μm,在ImageJ中打开时,其默认大小为1024×768像素,因此,设定其对应关系为1,如图4。对于一般的情况,应计算出1 μm所对应的像素个数,然后在setscale中设定即可。

图4 设定比例参数

1.4 测量机理及参数的设定

ImageJ以图像中的每个黑色像素聚集区(即每个石墨球)作为单位测量对象,进行测量和计算。可在参数设置对话框中设置需要测量的参数,如图5 a),在本例中,我们测量的参数有石墨球个数、平均面积、百分比、圆度等。其中,石墨面积的测量是通过计算相邻黑色像素总数获得,外接圆直径(feret)通过对象中任意个像素间距离的最大值获得。ImageJ还为每个石墨球拟合了一个椭圆,并提供了该椭圆的主轴和副轴长,以及主轴与所在坐标系x轴的夹角。结果输出栏有两个,我们在数据分析设置时,选中Display Results和Summarize两项如图5 b),一个给出了每个石墨球的各项参数,另一个为总结栏,除了给出当前图像的处理阀值和总石墨球数外,还计算了石墨总面积、石墨面积分数和平均尺寸(面积)等。根据GB9441-88,在石墨统计时,滤去直径小于20 μm的石墨颗粒。

图5 参数的设定

2 石墨形态分析

2.1 石墨特征分析

根据GB9441-88球墨铸铁金相检验标准,选取以下几个参数对球铁石墨形态进行分析[3]:

1)石墨球的个数:每张金相图中,石墨球的总个数。

2)石墨比例:石墨在金相图中所占的面积百分数。

3)石墨的平均面积及分布:石墨平均面积可以反映石墨的整体粒度大小,石墨的面积分布可以反映各种粒度的石墨所占的比例,即石墨的均匀性。

4)石墨球的形状系数K及分布:石墨的面积为A,石墨的周长为 L,则K=4 πA/L2,以此反映石墨的形状,K的取值在0~1之间,越接近1,石墨颗粒越圆整。

5)石墨球的外接圆直径:每个石墨球中,任意两个像素间距离的最大值,即拟合椭圆的长轴长度。在球化率的分析中,做为外接圆直径。

6)石墨的取向角:石墨颗粒的拟合椭圆长轴与水平方向所成角度,用于石墨走向的判定。

2.2 测量结果及分析

对图3 d)中的石墨进行分析统计,结果输出包括两部分,石墨各项参数的总结表和明细表。表1所示为总结表,从中可以得到石墨个数、平均面积、百分比、周长、取向角、形状系数及外接圆直径信息,通过表1,可以了解石墨球的整体性能,对以上参数值进一步处理,可以得到石墨球更详细的信息,如等周长圆直径、等面积圆直径等。明细表即每个石墨球的具体参数,因其篇幅较大,此处不做列出。

表1 石墨各项参数总结

石墨球的大小及圆整度对球铁性能有着重要的影响,以往对石墨球的大小及圆整度分析多为整体分析,没有考虑到其分布规律。这里,通过对明细表中的石墨面积和形状系数参数进行排序、统计得到表2和表3,石墨面积与形状系数的分布图如图6和图7.从图6可以看出,石墨大小主要集中在 0 μm2~800 μm2,占了总石墨数量的 77.8%.从图7可以看出石墨球的形状系数主要集中在0.7~0.9,占了总石墨数量的77.8%.通过考察石墨大小与形状系数的分布,可以更好地分析石墨的性能。

表2 石墨面积分布

表3 形状系数分布

图6 石墨面积分布图

2.3 球化率的计算

球化率是分析球墨铸铁的一个常用指标,对于球化率的计算,首先算出面积率,再把面积率和球状修正系数对照如表4,对每个石墨进行分类统计,把所得结果代入球化率公式中,计算出球化率数值,对照球化率分级表如表5,即可得到球化率级别[4]。根据G B 9441-88,计算球化率时,压边的石墨球不完整,不能计算在内,因此对图像的压边石墨进行填充处理,如图8 a)中圈内是需要剔除的压边石墨,图8 b)为处理后的图像,对图8 b)进行分析,得到石墨各项参数的总结表与明细表见表6.

图7 石墨形状系数分布图

图8 压边石墨的剔除

表4 面积率和球状修正系数对照表

表5 球化率分级表

表6 剔除压边石墨后的石墨各项参数总结

1)面积率的计算及石墨的分类统计

石墨的面积率=石墨的实际面积/石墨最小外接圆面积,每个石墨的面积及最小外接圆直径在明细表中已经列出,在excel中编辑公式,实现对每个石墨面积率的计算,然后对其进行排序,统计结果为表7.

2)球化率的计算及球化级别的确定

表7 球状修正系数对应的石墨颗粒数

其中 n1.0,n0.8,n0.6,n0.3,n0分别代表五种修正系数的石墨颗粒数,将表7统计结果代入球化率公式,得到球化率的结果为75.76%.对照表5可以得到球化级别为4级。与国家标准对比(图9),完全符合。

图9 与国标对比图

3 结 论

1)在现有金相显微镜的条件下,借助imagej软件,开发了一种球铁石墨定量分析的新方法,该方法能精确分析球铁中的石墨相,计算石墨球的个数、面积、百分比、形状系数、取向角;能快速精确的计算球化率。

2)该方法操作简便,易于普及,有效地解决了人工测量的繁琐及误差,提高了测量的精度和准确性。随着计算机技术和体视学的发展,图像分析软件被广泛地应用于金相分析中,金相分析技术正从定性或半定量的工作状态向定量方向发展。

[1]汤国华,杨俊和,张琢,等.一种定量分析多孔材料孔隙结构的新方法[J].煤炭转化,2004(1):71-75.

[2]姜兆辉,金剑,肖长发,等.高均一性聚丙烯/炭黑薄膜的制备及炭黑分散性的定量表征[J].分析测试学报,2011(3):330-335.

[3]刘洋,杨弋涛,赵凌,等.基于Matlab的球铁石墨定量分析[J].铸造,2006(7):707-710.

[4]谢建林,厉丹,王爽.基于面积率的球墨铸铁图像球化率评级[J].科技资讯,2008(34):240.

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