第四章计算机在材料检测中的应用

第四章计算机在材料检测中的应用23:182019/12/202/29X.Z.Lin主要内容4.1在线测量基本原理4.2材料成分的检测4.3材料组织结构的检测4.4材料力学性能的检测4.5材料物理性能的测量4.6联机电化学测试系统23:182019/12/203/29X.Z.Lin4.1在线测量基本原理（一）传统测量方法（人工测量）（二）在线测量方法最大弊端：工作量大且容易出错。23:182019/12/204/29X.Z.Lin（三）在线测量系统的组成和原理23:182019/12/205/29X.Z.Lin（四）计算机在材料检测中的应用材料的性能主要决定于它的化学成分和组织结构。化学成分不同的材料具有不同的性能；而相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的组织结构时，也将具有不同的性能。材料科学就是以材料的成分、加工工艺、组织结构和性能的关系及其变化规律为研究对象的；以这些关系和规律作为依据，可以为材料设计适当的成分和适宜的加工工艺，从而获得预期的组织结构，当然也获得材料的最终性能。所以在材料科学中，对材料成分、组织结构的分析与研究、材料的性能检测是十分重要的。由于材料检测的重要性和迫切需要，随着计算机技术的快速发展，计算机在材料的成份、组织结构、力学性能、物理性能等的检测方面的得到了广泛的应用。目前，较先进的材料检测方法和设备都是在计算机控制下工作的，同时，其检测到的各种数据也可直接通过计算机处理，得到我们需要的各种数据。下面将分类举例介绍计算机在材料检测方面的应用，重点介绍如何在材料科学中应用计算机解决材树检测方面各种实际的问题。23:182019/12/206/29X.Z.Lin4.2材料成分的检测材料的组成对材料的性能和应用有很大的影响，许多材料的合成和制备也正是通过改变材料的成分来改变材料的性能。如材料的表面处理就是使材料的表面成分与心部不同，以获得材料表面的特殊性能。因此，材料成分的检测对于材料研究有着特别重要的意义。现今可利用各种大型分析设备如扫描探针显微镜（SPM)、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM)，X射线衍射仪、电子衍射仪、各种谱仪如红外光谱仪、拉曼光谱仪、原子吸收光谱仪、激光光谱仪等进行材料成分的检测。23:182019/12/207/29X.Z.Lin（一）分析电子显微方法分析电子显微方法是现代电子显微学领域中的重要组成都分，是从微观尺度认识和研究材料的非常重要的手段。分析电子显微方法中要获得材料成分的信息的方法主要有：电子能谱（EDS或EDX）（与SEM配套使用，元素分析）电子探针X射线微区成分分析（EPM或EPMA）（微区成分分析）俄歇电子能谱（AES）（表面成分分析、微区成分分析）X射线光电子能谱（XPS）（表面成分、化学态分析）电子能量损失谱方法（EELS）高角度散射暗场方法（STEM）（也称Z衬度方法）场发射电子枪技术（使纳米尺度的成分分析成为可能，它能进行1nm以下区域的成分分析）23:182019/12/208/29X.Z.Lin（1）计算、模拟软件输入被测材料的名称、实验条件和分析要求；系统按某个计算模型或公式输出计算结果、用于实验前的结果预测、与实验结果比较和数据评价。（如：由SmallWorld公司编制的ElectronFlightSimulator软件，可依据蒙特卡罗法模拟求出入射到试样中的电子散射的轨迹，也可计算试样产生的特征X射线谱等。）（2）数据分析、图谱分析软件对仪器测得的实验结果（图像或图谱的数据），按指定的公式、方法分析处理，得到进一步的更多信息（结果）。（如：GalanInc.公司的EL/P（M）软件，可用于电子能量损失谱仪（EELS）的控制和谱仪数据的分析，给出微区成分分析的结果等。）（3）设备控制软件控制各种分析设备装置分析过程的软件。选择输入分析要求、实验条件，分析设备装置按照这些选择进行分析过程。大致可以分为三类（数据处理软件部分）：计算机在成分分析设备上的应用23:182019/12/209/29X.Z.Lin（二）光谱仪方法光谱分析是依据样品物质的特征光谱，研究其化学成分和存在状态。在现代科学技术的发展中，光谱分析在材料成分分析和结构分析中起着重要作用。微波辐射光谱光学光谱拉曼光谱（激光）（散射光谱）吸收光谱紫外光（20～400nm）可见光（400～800nm）近红外光（800～900nm）红外光谱（常用中红外：波数4000~400cm-1）原子吸收光谱法顺磁共振光谱法核磁共振光谱法紫外可见分光光度法发射光谱原子发射光谱法分子荧光光谱法分子磷光分析法化学发光分析法X射线光谱X射线波谱（光学方法展谱）X射线能谱（电子学方法展谱）23:182019/12/2010/29X.Z.Lin计算机应用软件在光谱仪方法中的功能（1）测量参数选择不同样品作不同元素的检测时，许多测量控制参数都有所不同。仪器随机控制应用软件能选择不同的参数，为此建立测量控制参数文件，存储在磁盘中，供以后调用；并能显示、输入、修改、存储测量控制参数等。（2）定标处理测量前仪器都需经标准样品校准。标准样品中各种元素浓度与仪器相应通道的光谱线强度计数值一般以文件形式存储，应用软件在工作时调用此文件与实测时的光谱线比较．得出被测样品的含量值。（3）常规测量过程控制完成一般的常规测量过程，同时数据系统把测量数据依通道存入测量数据文件。（4）分析测量结果依测量数据文件和定标文件对被测样品作出分析，给出被测样品的成分分析结果，并显示相应结果。有的还可以将两者的谱线图同时放在一起，以便工作人员加以人工比较和判断。23:182019/12/2011/29X.Z.Lin4.3材料组织结构的检测材料科学是以材料的成分、加工工艺、组织结构与性能的关系及其变化规律为研究对象的，所以材料科学研究中通常都要检测直接影响性能的材料组织，评价材料缺陷；在了解了材料组织与缺陷，以及其与性能之间的关系的变化规律的基础上进行计算机仿真，则是材料科学研究的新手段。23:182019/12/2012/29X.Z.Lin（一）金相图像分析系统人工金相定量分析法：网格法、称重法等局限性：准确性和重现性差、效率低、在某些情况下还无法实现。——在自动检测方面具有较高的测量精度。其测量速度快，重现性好，并且能连接金相显微镜、扫描电镜和数码相机等各种外部设备、有丰富的图像编辑、增强、变换和切割功能，可对特征物自动完成测量。所以图像分析系统在金相定量检测方面得到了广泛的使用。计算机金相图像分析系统：包括：金属平均晶粒度测定软件包、球墨铸铁球化率评级软件包、汽车渗碳晶粒度测定软件包等。23:182019/12/2013/29X.Z.Lin（1）合金相的定量测量1）半自动网格法网格法是一种典型的计点分析法，以往都是由人实现计点的，这里是计算机自动识别。半自动是指需要由人目判断合金相类型，对待测合金相所占网格结点用鼠标点以不同的颜色以示区别。计算机自动统计出待测合金相所占网格结点的数目和网格结点总数目，两者之比即为待测合金相的含量。2）区域识别法用鼠标先将待识别的组织划分为若干闭合区域，若闭合区域内只有一种组织（单相），通过统计该区域内的像素数目就可以实现该区域内的一种组织的识别和计数，并送入该相计数累加器；若闭合区域内有两种灰度（或颜色）反差较大的组织（双相），那么通过统计该区域内不同灰度的像素数目就可以实现该区域内的双相的识别和分别计数。并送人分别的计数累加器，实现多区域的统计识别。最后根据计数累加器的数字就可得到相应的相含量。金相图像分析系统可以确定金相组织中合金相的类型及其含量，系统提供两种识别方法：23:182019/12/2014/29X.Z.Lin23:182019/12/2015/29X.Z.Lin（2）非金属夹杂物的定量测量钢中的非金属夹杂物对性能的影响很大、其影响程度主要取决于非金属夹杂物的性质、数量、大小、分布情况等。一般认为非金属夹杂物越少，且细小颗粒呈均匀分布时对钢的性能影响越小。但由于以前人工测量手段的局限，包括GB1056－1989规定的标准等级图片法，对非金属夹杂物的数量、大小、分布情况等也只能有定性的认识，定量测量很粗略。金相图像分析系统可以对非金属夹杂物的数量、大小、分布情况作自动定量检测，步骤如下：1）非金属夹杂物标记不同的夹杂物标以不同的标记数值，以便对每个夹杂物进行识别测量。2）夹杂物特征参数的测量包括夹杂物体积分数、形状因子、平均面积、分布情况等的测量。3）给出定量测量结果23:182019/12/2016/29X.Z.Lin23:182019/12/2017/29X.Z.Lin（二）材料缺陷的计算机评定材料缺陷（内部缺陷、外部缺陷）检测、分组评定是保证产品质量的重要环节之一，长期以来，材料缺陷的检测都是用肉眼观察图像来判断。这对于一些要求检测率比较高的电站设备、压力容器等重要部件，不仅检测工作量大、周期长，而且检测水平受检测主观因素的影响而不稳定。随着计算机图像处理与模式识别技术的发展以及材料缺陷特征参数的研究，计算机材料缺陷评定系统具有材料缺陷图像获取、缺陷检出、缺陷识别、缺陷尺寸测量和分级评定等功能，基本上实现了材料缺陷检测、分级评定的全部自动化。23:182019/12/2018/29X.Z.Lin（1）计算机材料缺陷评定系统硬件配置投影仪（低倍放大）显微镜（高倍放大）摄像机计算机打印机显示器计算机材料缺陷评定系统硬件配置示意图23:182019/12/2019/29X.Z.Lin（2）计算机材料缺陷评定系统软件构成1）图像采集及存储模块用于实现参数定义、采集及存储图像。用此模块，计算机控制投影仪、显微镜、摄像机、采集和实时显示欲分析的材料图像，并以文件形式存储该图像备案。2）图像预处理模块主要用于图像增强。此模块主要包括：图像数字化、消噪处理、图像增强、锐化处理、二值化等计算机图像技术处理，以改善缺陷的图像质量。3）特征提取模块用于针对缺陷的特征，提取被采集部位的图像的缺陷信息，采用合适的识别准则判定缺陷的类型、位置等，列出缺陷的主要特征参数表格。4）分析模块主要用于列出各种缺陷分布情况结果，负责数据存储并评定级别。23:182019/12/2020/29X.Z.Lin（三）材料显微组织的计算机仿真在大量的材料显微组织检测后，了解了材料组织以及其与性能之间的关系和变化规律的基础上，就可进行计算机仿真，建立材料的显微组织模型（三维模型），然后反过来又可用该显微组织模型推测（而不是检测）材料的性能。例：颗粒复合材料显微组织的计算机仿真颗粒复合材料的性能对其显微组织是特别敏感的，建立两者之间的关系已经成为颗粒复合材料显微组织设计的重要内容。由于材料是不透明的，直接从实际材料观测其三维显微组织很困难，目前可用的方法包括从材料二维截面推测其三维织织特征及参量的体视学方法、以及材料的系列金相截面进行三维重建的方法等。其中体视学方法是间接的，试样要满足一定的条件，而系列金相截面进行三维重建法工作量很大；可以用计算机仿真模拟具有不同颗粒和基体组织参数的颗粒增强复合材料显微组织。23:182019/12/2021/29X.Z.Lin（1）增强粒子的空间分布颗粒复合材料中颗粒的组织结构参数包括粒子形状、尺寸、位置及空间分布、数量（体积分数和总颗粒分数）等，这些颗粒的几何特征参数都会影响到材料的性能。可以用数据结构来表示颗粒的几何特征参数。其中，模拟实际复合材料中颗粒的空间分布是要着重解决的问题，因为颗粒分布对材料的性能有重要影响。对于不同的空间分布，可采用的颗粒坐标计算方法如下：23:182019/12/2022/29X.Z.Lin（2）基体的MONTECARLO（蒙特卡罗）仿真蒙特卡罗法亦称为随机模拟或随机抽样技术。所谓蒙特卡罗法是把某一问题作出一个适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计算的统计量值来估计，从而由这个参数找出最初所述问题中包含的未知量的方法。颗粒增强复合材料的基体组织一般是多晶聚集体，其晶粒的形状、尺寸及尺寸分布等参数对其性能有着重要的影响。多晶基体的晶粒长大过程可认为