基于数字图像处理的金相几何参数的定量分析与研究
|
摘要
长期以来，人们都采用传统的定性和半定量的方法对金相组织进行分析和评定。随着科学技术的不断发展，特别是定量金相学理论和数字图像处理技术的发展，定量金相学在实际工作中得到了很广泛的应用，已经成为金相学的一个重要分支。定量金相学是一门涉及材料科学，计算机科学和图像处理技术及模式识别等学科的综合型应用科学。
金相定量分析就是应用某些可以测量的参数或可计算的参数来准确地表征组织特点，寻找它们与金属材料性能之间的关系。传统的金相定量分析人工检测是一件很辛苦的工作，有些试验因工作量过大而无法进行。
本文通过大量的实验，提出了一种新的晶粒边界细化和晶界重建的方法，提高了以统计像素为基础的全自动测量的精度。同时在全自动测量数据的基础上提出并用实验验证“用分形维数描述晶粒度”的论断。
本论文的主要内容包含了以下内容：
第一章绪论中介绍了金相组织参数检测的意义，金属材料性能与金相显微组织尺寸间的关系，国内外检测技术的发展和应用情况，并阐述将分形原理应用到金相微观组织研究领域的重大意义。
第二章通过介绍金相组织几何参数以及人工分析方法，通过对铁素体晶粒度测试和球墨铸铁第二相参数的测试分析，指出目前计算机全自动检测尚不能完全取代人工检测。
第三章论述了数字图像预处理的基本原理及其步骤和处理效果，提出了不同检测要求的金相图像需要不同的图像处理方式。
第四章介绍了晶粒细化和晶界重建的各种方法。并通过分析后的图像效果和试验数据，将人工检测和计算机自动检测的进行评定。
第五章介绍了金相几何参数检测的软件组成和开发，以及应用函数类型和流程。最后简述了该软件的主要功能和界面。
第六章在晶粒度检测领域中引进分形理论，用试验证明金相微观组织结构与材料性能参数之间存在着维数关系。
第七章总结了全论文的内容，指出所做工作的成果和不足，并提出系统未来的发展方向。
This many a day, the metallography is always assessed by means of traditionally determine the nature or half quantitative analysis technology. With the development of quantitative metallography theory and digital image process technology, the quantitative metallography is much widely used in and become a branch of metallographic. In fact, the quantitative metallography is a synthetically application science with relating to material science, computer science, digital image processing technology and pattern recognition techniques.
The quantitative analyze of metallography is about how to determinately express the organization of metallography by measurable and calculable parameters, and find the relationship and ruler between material performance and these parameters.
Because of the unsymmetrical distributing of particles in metallography no parameter can be ascertained by several data measured in a visual area. It is absolutely necessarily to have a great lot data to assure the reliability of results.
In this paper the new methods of deblurring, thinning and edge reconstructing are put forward by means of experiments. The new methods decrease the difference of results tested by Digital Micrographic Software. Also with these data, a conclusion which grain size can be described by fractal dimension is presented.
The dissertation includes seven chapters and the contents are as follow:
In chapter 1, the paper includes the importance of the computer-aided assessment and the development of relating research, and the significance of the application of fractal dimension in quantitative metallographic area.
In chapter 2, the dissertation introduce the conception of quantitative metallographic, some of denotations, formulations, and the method of manual testing.
In chapter 3, a digital metallographic image pre-processing with a new algorithm for shadow remedy and edge detection is presented to make images clearly.
In chapter 4, the algorithms based on significantly different methods for grain edge detection and reconstruction are used to demonstrate the relationship more clearly and to give a general view of computer-aided image processing.
In chapter 5, the paper introduce the design, algorithms, flow chat and some functions of The Digital Micrographic Tester developed by VC++ and show its interface in the last section.
In chapter 6, the application of fractal on grain size analysis is presented by means of results tested by Digital Micrographic.
In chapter 7, the work of this dissertation is summarized and the further research work is looked ahead.
金相定量分析就是应用某些可以测量的参数或可计算的参数来准确地表征组织特点，寻找它们与金属材料性能之间的关系。传统的金相定量分析人工检测是一件很辛苦的工作，有些试验因工作量过大而无法进行。
本文通过大量的实验，提出了一种新的晶粒边界细化和晶界重建的方法，提高了以统计像素为基础的全自动测量的精度。同时在全自动测量数据的基础上提出并用实验验证“用分形维数描述晶粒度”的论断。
本论文的主要内容包含了以下内容：
第一章绪论中介绍了金相组织参数检测的意义，金属材料性能与金相显微组织尺寸间的关系，国内外检测技术的发展和应用情况，并阐述将分形原理应用到金相微观组织研究领域的重大意义。
第二章通过介绍金相组织几何参数以及人工分析方法，通过对铁素体晶粒度测试和球墨铸铁第二相参数的测试分析，指出目前计算机全自动检测尚不能完全取代人工检测。
第三章论述了数字图像预处理的基本原理及其步骤和处理效果，提出了不同检测要求的金相图像需要不同的图像处理方式。
第四章介绍了晶粒细化和晶界重建的各种方法。并通过分析后的图像效果和试验数据，将人工检测和计算机自动检测的进行评定。
第五章介绍了金相几何参数检测的软件组成和开发，以及应用函数类型和流程。最后简述了该软件的主要功能和界面。
第六章在晶粒度检测领域中引进分形理论，用试验证明金相微观组织结构与材料性能参数之间存在着维数关系。
第七章总结了全论文的内容，指出所做工作的成果和不足，并提出系统未来的发展方向。
This many a day, the metallography is always assessed by means of traditionally determine the nature or half quantitative analysis technology. With the development of quantitative metallography theory and digital image process technology, the quantitative metallography is much widely used in and become a branch of metallographic. In fact, the quantitative metallography is a synthetically application science with relating to material science, computer science, digital image processing technology and pattern recognition techniques.
The quantitative analyze of metallography is about how to determinately express the organization of metallography by measurable and calculable parameters, and find the relationship and ruler between material performance and these parameters.
Because of the unsymmetrical distributing of particles in metallography no parameter can be ascertained by several data measured in a visual area. It is absolutely necessarily to have a great lot data to assure the reliability of results.
In this paper the new methods of deblurring, thinning and edge reconstructing are put forward by means of experiments. The new methods decrease the difference of results tested by Digital Micrographic Software. Also with these data, a conclusion which grain size can be described by fractal dimension is presented.
The dissertation includes seven chapters and the contents are as follow:
In chapter 1, the paper includes the importance of the computer-aided assessment and the development of relating research, and the significance of the application of fractal dimension in quantitative metallographic area.
In chapter 2, the dissertation introduce the conception of quantitative metallographic, some of denotations, formulations, and the method of manual testing.
In chapter 3, a digital metallographic image pre-processing with a new algorithm for shadow remedy and edge detection is presented to make images clearly.
In chapter 4, the algorithms based on significantly different methods for grain edge detection and reconstruction are used to demonstrate the relationship more clearly and to give a general view of computer-aided image processing.
In chapter 5, the paper introduce the design, algorithms, flow chat and some functions of The Digital Micrographic Tester developed by VC++ and show its interface in the last section.
In chapter 6, the application of fractal on grain size analysis is presented by means of results tested by Digital Micrographic.
In chapter 7, the work of this dissertation is summarized and the further research work is looked ahead.
引文
[1] 史美堂主编 金属材料及热处理 上海科学技术出版社 1980年出版
[2] 孙业英主编 光学显微分析 清华大学出版社 1994年出版
[3] 秦国友著 定量金相 四川科学技术出版社 1982年出版
[4] G．E．彼里西阿S．M．甫迪著 体视学和定量金相学 机械工业出版社1983年出版
[5] 余永宁 刘国权等 体视学-组织定量分析的原理和应用 冶金工业出版社1989出版
[6] 国家机械工业委员会统编金相组织基础知识机械工业出版社1988出版
[7] 上海交通大学《金相分析》编写组 金相分析 国防工业出版社1982出版
[8] 深桂琴编著 光学金相技术 国防工业出版社 1983出版
[9] 龙期威 著 金属中的分形与复杂性 上海科学技术出版社 1998年出版
[10] 胡荣泽 刘森 CSR-98型彩色图像粒度分析仪在定量金相上的应用硬质合金1997年第16卷第3期
[11] 李午申 等 焊接金相组织参数自动测量软件系统的研究 中国机械工程1998年第9卷第二期
[12] 唐惠明等 一种微机定量分析系统 科技通报1999年第11卷第5期
[13] 李午申等 焊接金相组织图像识别技术的研究机械工程学报1998年第32卷第五期
[14] 郭剑英 IAS4图像分析系统在定量金相中的应用 物理测试 1997年第6期
[15] 冯瑞等著 金属物理学 科技出版社1986年出版
[16] Η．Φ．拉施柯等著 钢和合金的物理-化学相分析 国防工业出版社1984年出版
[17] 邹鸿承 彭寿战等 球化碳钢的断裂韧性的定量金相测试 理化检验-物理分册1996年第32卷 第2期
[18] K．R．Castleman著 数字图像处理 电子工业出版社 1998年出版
[19] 祖方道等 球墨铸钢第二相组织形成规律的定量研究钢铁1997年第33卷第1期
[20] 蔡明东等 灰铸铁金相定量检测系统的研制 检测1999年第4期
[21] 蔡明东等 球铁金相定量检测系统的研制 检测2000年第1期
[22] 张德干 一种新的小波变换边缘检测方法 计算机工程与应用 2001年第17期
[23] 李军 等 金相显微图像的阴影校正算法计算机应用 1999年第21卷第6期
[24] 柏子游 铁谱分析图像信息数据库研究 计算机应用研究 1999年 第1期
[25] 毕清国 栾英等 LY12合金网状组织定量金相测量时最佳参数的选择轻合金加工技术 1990年 第10期
[26] 柴惠芬 范群成等 定量金相方法在疲劳软化中的应用 金属科学与工艺1998年第7期
[27] 王建萍 王家平等 数字图象处理在定量金相分析中的应用 材料导报2003年．第17卷第1期
[28] 王建萍 王家平 单晶材料中晶粒参数的计算机辅助与人工测量分析机床与液压2003年第5期
[29] 李志铭等 定量金相分析的图像技术 光电工程 1997第22卷．第．4期
[30] 周激流 等 晶界重建与晶粒度自动评级系统的研究 数据采集与处理1997年第7卷 第1期
[31] 崔凤奎 等 定量金相分析算法及实现 材料科学与工艺1999年第8卷第3期
[32] 王宏伟 等 定量金相法测定求铁中渗碳体的统计分析 检测与分析1989年第3期
[33] 卢文增 等 研究混晶的定量金相新方法 物理测试1990年第4期
[34] 曾令民 等 定量金相在金属材料研究中的应用 物理测试 1993年第2期
[35] 谢国宏 等 颗粒增强金属基复合材料中颗粒分布均匀性的定量金相分析方法 理化检验-物理分册 1995年第31卷 第1期
[36] 彭超 等 定量金相在高速钢扫描电镜断口分析中的应用 重庆特钢1996年第1期
[37] 赵雪松 等 综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法 计算机辅助设计与图形学学报 1998年第13卷，第2期
[38] 钟志平20MnMoNi55钢的后动态再结晶模型 塑性工程学报 2000年第7卷第2期
[39] 邱自学 陈立国 计算机图像处理技术在针布制造中的应用开发 计算机应用 1998年．第1期
[40] Hans Eckart Exner Quantitative Metallography in three Dimensions
Prakt. Metallogr. 2001, Vol.38. No. 7
[41] Maria Sozanska, etc. Examination of hydrogen interaction in carbon steel by means of quantitative microstructural and fracture descriptions MATERIALS CHARACTERIZATION 2001,Vol.35. No.3
[42] Chwen-Jye Sze, Hong-Yuan Mark liao. ect. A New Image Flux Conduction Model and Its Application to Selective Image Smoothing IEEE TRANSACTION ON PROCESSING.Vol.10, No. 2 February 2001
[43] Jacek Chraponski Quantitative metallography of two-phase titanium alloys MATERIALS CHARACTERIZATION ,Vol.8, No. 4 Febrary 2000
[44] M.V.Kral, M.A.Mangan. Three-dimensional analysis of microstructures MATERIALS CHARACTERIZATION 2001.Vol12,No. 1
[45] Latala Z, Hebdowska M: Repeatability and scatter of results in grain size measurementsusing manual and Image analysis methods. VI International Conference Stereology and Image Analysis in Material Science, Cracow Sep.2001 Vol.21, No.5 20-23.
[46] Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. ASTM E 1997.Vol,21,No.4
[47] Kurzydlowski RJ, Ralph B: The quantitative description of the microstructure of materials. Boca Raton,FL: CRC Press 1995. Vol,23, No.6
[48] Wojnar L. Image analysis. Applications in materials engineering. Boca Raton,FL: CRC Press, 1998.Vol.34, No.7
[49] F.Yang and F. Pan Dipolar-interation-induced fractal pattern formation in magnetic multilayers PHYSICAL REVIEW E, 2001 Vol 64,No.5
[50] David J．Kruglinski Visual C++技术内幕 清华大学出版社 2002出版
[51] Chane Cullens等Visual C++4编程大全 浙江科学技术出版 1998版
[52] 刘小石 郑淮等 精通Visual C++6.0清华大学出版社2000出版
[53] 余卞章 李志钧 等 数字信号处理 西北工业大学出版社2000出版
[54] 何斌，马天宇等Visual C++数字图像处理人民邮电出版社2001出版
[55] 印友法 分形理论及其在炭素材料研究中的应用炭素技术1992，第9卷第2期
[56] 肖克东 曾斌 分形分维 现代物理知识 1997第7卷第3期
[57] 邹群彩 凌祥 涂善东等 基于分形理论的岩相图像识别与分析 南京化工大学学报 2000年第1期
[58] 韩喜球，李家标 王英等 分形理论在太平洋多金属结核分布研究中应用海洋学报2001年．第5期
[59]羊亚平 王少杰 冯伟国 等 分形于分维工科物理 1996年第1期
[60]杨科，张都清 分形理论及其在材料断裂研究中的应用 山东电力技术1996年6期
[61]蔡立农 分形理论与计算机图形学和图像处理 信息与控制1992年第8期
[62]李建民，林汉同 朱光喜 朱廷耀 基于分形的可锻铸铁石墨颗粒的生长模型 华中理工大学学报 1995年第9期
[2] 孙业英主编 光学显微分析 清华大学出版社 1994年出版
[3] 秦国友著 定量金相 四川科学技术出版社 1982年出版
[4] G．E．彼里西阿S．M．甫迪著 体视学和定量金相学 机械工业出版社1983年出版
[5] 余永宁 刘国权等 体视学-组织定量分析的原理和应用 冶金工业出版社1989出版
[6] 国家机械工业委员会统编金相组织基础知识机械工业出版社1988出版
[7] 上海交通大学《金相分析》编写组 金相分析 国防工业出版社1982出版
[8] 深桂琴编著 光学金相技术 国防工业出版社 1983出版
[9] 龙期威 著 金属中的分形与复杂性 上海科学技术出版社 1998年出版
[10] 胡荣泽 刘森 CSR-98型彩色图像粒度分析仪在定量金相上的应用硬质合金1997年第16卷第3期
[11] 李午申 等 焊接金相组织参数自动测量软件系统的研究 中国机械工程1998年第9卷第二期
[12] 唐惠明等 一种微机定量分析系统 科技通报1999年第11卷第5期
[13] 李午申等 焊接金相组织图像识别技术的研究机械工程学报1998年第32卷第五期
[14] 郭剑英 IAS4图像分析系统在定量金相中的应用 物理测试 1997年第6期
[15] 冯瑞等著 金属物理学 科技出版社1986年出版
[16] Η．Φ．拉施柯等著 钢和合金的物理-化学相分析 国防工业出版社1984年出版
[17] 邹鸿承 彭寿战等 球化碳钢的断裂韧性的定量金相测试 理化检验-物理分册1996年第32卷 第2期
[18] K．R．Castleman著 数字图像处理 电子工业出版社 1998年出版
[19] 祖方道等 球墨铸钢第二相组织形成规律的定量研究钢铁1997年第33卷第1期
[20] 蔡明东等 灰铸铁金相定量检测系统的研制 检测1999年第4期
[21] 蔡明东等 球铁金相定量检测系统的研制 检测2000年第1期
[22] 张德干 一种新的小波变换边缘检测方法 计算机工程与应用 2001年第17期
[23] 李军 等 金相显微图像的阴影校正算法计算机应用 1999年第21卷第6期
[24] 柏子游 铁谱分析图像信息数据库研究 计算机应用研究 1999年 第1期
[25] 毕清国 栾英等 LY12合金网状组织定量金相测量时最佳参数的选择轻合金加工技术 1990年 第10期
[26] 柴惠芬 范群成等 定量金相方法在疲劳软化中的应用 金属科学与工艺1998年第7期
[27] 王建萍 王家平等 数字图象处理在定量金相分析中的应用 材料导报2003年．第17卷第1期
[28] 王建萍 王家平 单晶材料中晶粒参数的计算机辅助与人工测量分析机床与液压2003年第5期
[29] 李志铭等 定量金相分析的图像技术 光电工程 1997第22卷．第．4期
[30] 周激流 等 晶界重建与晶粒度自动评级系统的研究 数据采集与处理1997年第7卷 第1期
[31] 崔凤奎 等 定量金相分析算法及实现 材料科学与工艺1999年第8卷第3期
[32] 王宏伟 等 定量金相法测定求铁中渗碳体的统计分析 检测与分析1989年第3期
[33] 卢文增 等 研究混晶的定量金相新方法 物理测试1990年第4期
[34] 曾令民 等 定量金相在金属材料研究中的应用 物理测试 1993年第2期
[35] 谢国宏 等 颗粒增强金属基复合材料中颗粒分布均匀性的定量金相分析方法 理化检验-物理分册 1995年第31卷 第1期
[36] 彭超 等 定量金相在高速钢扫描电镜断口分析中的应用 重庆特钢1996年第1期
[37] 赵雪松 等 综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法 计算机辅助设计与图形学学报 1998年第13卷，第2期
[38] 钟志平20MnMoNi55钢的后动态再结晶模型 塑性工程学报 2000年第7卷第2期
[39] 邱自学 陈立国 计算机图像处理技术在针布制造中的应用开发 计算机应用 1998年．第1期
[40] Hans Eckart Exner Quantitative Metallography in three Dimensions
Prakt. Metallogr. 2001, Vol.38. No. 7
[41] Maria Sozanska, etc. Examination of hydrogen interaction in carbon steel by means of quantitative microstructural and fracture descriptions MATERIALS CHARACTERIZATION 2001,Vol.35. No.3
[42] Chwen-Jye Sze, Hong-Yuan Mark liao. ect. A New Image Flux Conduction Model and Its Application to Selective Image Smoothing IEEE TRANSACTION ON PROCESSING.Vol.10, No. 2 February 2001
[43] Jacek Chraponski Quantitative metallography of two-phase titanium alloys MATERIALS CHARACTERIZATION ,Vol.8, No. 4 Febrary 2000
[44] M.V.Kral, M.A.Mangan. Three-dimensional analysis of microstructures MATERIALS CHARACTERIZATION 2001.Vol12,No. 1
[45] Latala Z, Hebdowska M: Repeatability and scatter of results in grain size measurementsusing manual and Image analysis methods. VI International Conference Stereology and Image Analysis in Material Science, Cracow Sep.2001 Vol.21, No.5 20-23.
[46] Standard test methods for determining average grain size using semiautomatic and automatic image analysis. ASTM E 1997.Vol,21,No.4
[47] Kurzydlowski RJ, Ralph B: The quantitative description of the microstructure of materials. Boca Raton,FL: CRC Press 1995. Vol,23, No.6
[48] Wojnar L. Image analysis. Applications in materials engineering. Boca Raton,FL: CRC Press, 1998.Vol.34, No.7
[49] F.Yang and F. Pan Dipolar-interation-induced fractal pattern formation in magnetic multilayers PHYSICAL REVIEW E, 2001 Vol 64,No.5
[50] David J．Kruglinski Visual C++技术内幕 清华大学出版社 2002出版
[51] Chane Cullens等Visual C++4编程大全 浙江科学技术出版 1998版
[52] 刘小石 郑淮等 精通Visual C++6.0清华大学出版社2000出版
[53] 余卞章 李志钧 等 数字信号处理 西北工业大学出版社2000出版
[54] 何斌，马天宇等Visual C++数字图像处理人民邮电出版社2001出版
[55] 印友法 分形理论及其在炭素材料研究中的应用炭素技术1992，第9卷第2期
[56] 肖克东 曾斌 分形分维 现代物理知识 1997第7卷第3期
[57] 邹群彩 凌祥 涂善东等 基于分形理论的岩相图像识别与分析 南京化工大学学报 2000年第1期
[58] 韩喜球，李家标 王英等 分形理论在太平洋多金属结核分布研究中应用海洋学报2001年．第5期
[59]羊亚平 王少杰 冯伟国 等 分形于分维工科物理 1996年第1期
[60]杨科，张都清 分形理论及其在材料断裂研究中的应用 山东电力技术1996年6期
[61]蔡立农 分形理论与计算机图形学和图像处理 信息与控制1992年第8期
[62]李建民，林汉同 朱光喜 朱廷耀 基于分形的可锻铸铁石墨颗粒的生长模型 华中理工大学学报 1995年第9期