基于数字图像处理的TC4钛合金金相组织定量分析

2014年4月第9卷　第2期

失效分析与预防

April ,2014Vol.9,No.2

[收稿日期]2013年12月25日 [修订日期]2014年2月28日

[基金项目]国家自然科学基金(61261031);江西省青年科学基金资助项目(20122BAB216016)[作者简介]吴伟(1970年-),男,副教授,主要从事无损检测及仪器等方面的研究㊂

基于数字图像处理的TC4钛合金金相组织定量分析

吴　伟1,吴剑剑1,张永华2,邬冠华1,卢　鹏1,吴　宇1,张士晶1

(1.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学),南昌330063;

2.湖北宜昌市特种设备检验检测所,湖北宜昌443005)

[摘　要]通过对TC4钛合金显微组织的金相图片的研究,提出一种对金相定量分析的数字图像处理方法㊂以ImageJ 软件为工具,采用数字图像处理中的图像增强㊁阈值化㊁图像分割等数字化处理方法,计算出钛合金组织在不同热处理状态下α相所占比例,以及金相分析中其他的特征参数㊂研究结果表明:该数字图像处理方法可实现对TC4组织金相图片的处理,在TC4棒材锻件中α相占49.38%,长短轴比为1.458㊂[关键词]TC4;金相分析;数字图像处理;ImageJ 软件

[中图分类号]TG113.14;TP391.41 [文献标志码]A doi :10.3969/j.issn.1673⁃6214.2014.02.004[文章编号]1673⁃6214(2014)02⁃0075⁃05

Quantitative Analysis of Metallographic Organization of TC4

Titanium Alloy Based on Digital Image Processing

WU Wei 1,WU Jian⁃jian 1,Zhang Yong⁃hua 2,WU Guan⁃hua 1,LU Peng 1,WU Yu 1,ZHANG Shi⁃jing 1

(1.Key Laboratory of Nondestructive Testing (Ministry of Education ),Nanchang Hangkong University ,Nanchang 330063,China ;

2.Yichang Special Equipment Inspection and Research Institute of Hubei ,Hubei Yichang 443005,China )

Abstract :To investigation the microstructure of TC4titanium alloy,this paper presents an approach of digital image processing that can realize the quantitative analysis of the microstructure of TC4titanium alloy.By the software ImageJ,the digital image processing techniques such as image enhancement,thresholding as well as image segmentation were employed to calculate the proportion of the α⁃phase and other characteristic parameters in the microstructure images of various heat treatment of Titanium

alloy.The results show it is a feasible method to obtain the microstructural characterization of TC4rod forging in which the percentage of α⁃phase is 49.38%and ratio of long axis and short axis is 1.458.Key words :TC4;metallographic analysis;digital image processing;software ImageJ

0　引言

TC4钛合金材料强度高,硬度高,抗疲劳和抗

腐蚀性能显著,600℃温度左右状态下工作表现突出,并且TC4的密度仅为钢和镍基高温合金的一半,使得其在航天航空工业中应用广泛[1⁃2]㊂TC4材料在不同热处理状态下组织结构差异较大,表现为α相组织的形状和相对量不一样㊂金相组织定量分析方法为研究不同热处理状态下各相成份与材料性能之间关系意义重大㊂

金相组织特征参数包括晶粒尺寸㊁复相合金中各相的相对量㊁界面曲率㊁位错密度㊁

第二相粒子尺寸及分布等㊂如何准确地算出金相组织中各参数,是图像处理方法的主要研究方向㊂吴雪平等[3]开发的半固态金属金相组织的计算机软件系统,以及徐建林等[4]研发的铸造材料金相组织图像分析软件,这些系统自动化程度不高,而且准确率差;靳伍银等[5]以Matlab 为工具,提出一种对金相定量分析的数字图像处理方法,这类方法需要熟练Matlab 编程,且占用计算机内存大;其他的金相处理方法普遍存在自动化程度不高,准确率低,处理的过程不直观㊂本研究提出一种对金相定量分析的数字图像处理方法,可用于对处理的结果进行检查与修正,提高图像处理准确率㊂

失效分析与预防第9卷

1　TC4钛合金的ImageJ处理过程1.1　阴影校正

金相样品在观察过程中,显微镜光轴不正㊁照度不均匀都可能会使得金相图片明暗不均匀,对晶界的提取干扰很大[6]㊂对此采用滚动球背景减法(Rolling ball algorithm,RBA)来修正不均匀的背

景㊂设将二维灰度图中每个点对应的值看成第三维(高度),形成一个空间曲面㊂在曲面上放置一个给定半径的球必将滚落在该曲面的低洼处,将小球接触到的曲面部分称为背景㊂利用滑动抛物面将滚动球替换为与给定半径小球的顶点具有不同曲率的滑动抛物面,这就使得任何图像值都可以找到合适的抛物面㊂对于大的像素值的点,在沿x㊁y及2个斜45°方向上,旋转抛物面均可被近似为抛物线㊂利用这些滑动抛物线可对这些方向上的图像数值进行处理,为遍历整个曲面,需要多次使用同一方向上的抛物线对图像进行处理,因此只能在精度和速度之间进行折中选择㊂在滚动抛物面算法中为了降噪,使用一个3×3的背景作为应用对象,因此无论是使用滚动球还是滑动抛物面算法,在计算背景过程中都会对图像产生轻微的平滑效果,但在算法中可以有效的避免图像角落处的对象被当做背景而减去的现象发生(注意:滚动球总会接触到图像4个角中的像素,从而把他们当做背景像素)㊂以圆形结构元g(r=10)作为结构元,对平滑滤波后的图像I进行形态学的开运算(滚动球算法)以产生背景图像,即

I B(I,g)=(IΘg)Y′g

其中:

(IΘg)(x)=min u∈D g x+u∈D I{I(x+u)-g(u)}; (IY′g)(x)=max u∈D g x-u∈D I{I(x-u)-g(u)};

I:D I⊂Z2;R I⊂Z;g:D g⊂Z2㊂

图1为背景增强效果图,可以看出来背景增强后金相图片中晶界更加清晰㊂

1.2　图像增强

灰度值0~255用直方图表示,灰度级太大导致图像模糊,通过变换使图像的像素占有的灰度级尽量集中[7]㊂图2调节前灰度值范围为0~ 255,变换后为108~255;变换后使图像更加明亮,黑白差异更加明显,轮廓更加清晰[8]

㊂

(a)Original

picture(b)Background enhanced

图1　背景增强效果图

Fig.1　Background enhanced

renderings

(a)Before adjustment(b)After adjustment

图2　亮度调节

Fig.2　Brightness adjustment

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