利用奥林巴斯金相显微镜分析系统

对钩尾框C级钢中晶粒状铁素体的含量的测定

张慧玲    李春丽    高德军

（中国北车集团哈尔滨车辆有限责任公司，黑龙江  哈尔滨  150056）

摘  要：正火＋回火组织的C级钢中，晶粒状铁素体的含量的高低直接影响其机械性能。利用奥林巴斯金相显微镜分析系统对该组织状态下的晶粒状铁素体含量进行测定，方法简便，可操作性强。大量试验说明，正确利用该分析系统测定正火＋回火组织的热处理试样的晶粒状铁素体的含量是可行的。

关键词：正火＋回火  C级钢  晶粒状铁素体  金相分析系统  含量

一、     引言

目前，我国铁路货车用钩尾框采用材质为C级钢（ZG25MnCrNiMo）。哈车公司双通公司生产的钩尾框采用正火＋回火工艺。通过对试样的化学成分分析、机械性能测试及金相组织检验，证明其满足TB/T2942-1999 《铁道用铸钢件采购与验收技术条件》和GB/T17425-1998  《货车车钩、钩尾框采购和验收技术条件》中的要求；而金相组织的检验则对C级钢的热处理工艺分析提供了必要的依据。

二、     奥林巴斯金相显微镜系统

奥林巴斯金相显微镜系统是日本奥林巴斯公司开发生产的，集GX71倒置式系统金相显微镜、300万像素DP12显微镜数码相机和电脑图像分析软件于一体的专门用于金相分析的光学显微镜系统。

三、     对C级钢正火＋回火组织中晶粒状铁素体的含量进行测量的必要性

哈车双通公司冶炼的C级钢采用正火+回火工艺，针对热处理工艺的差别，其金相组织有所不同。典型有二种不同组织：

（一）残余铸态组织

 按戚墅堰机车车辆工艺研究所制定的评级图分为8级。由于热处理不当，造成残余铸态组织。其组织主要表现为针条状及细小晶粒铁素体＋珠光体，有初生奥氏体晶界向晶内生长针条状铁素体。双通公司经热处理后的C级钢呈现残余铸态组织的1～3级居多。

（二） 正火＋回火组织

按戚墅堰机车车辆工艺研究所制定的评级图分为8级。对试件进行正火＋回火处理，其组织主要表现为针条状铁素体＋不同含量晶粒状铁素体聚集分布＋珠光体＋少量有时略呈网状分布的回火索氏体。双通公司经热处理后的C级钢呈现正火＋回火组织的1～6级居多。

而对正火＋回火组织中的晶粒状铁素体含量的分析是判定该组织的评级等级的依据。如表1：

表1

由此可知，对晶粒状铁素体含量进行分析是判定该金相组织等级的重要依据。

四、晶粒状铁素体含量的测定

对金相试样进行晶粒状铁素体含量测定步骤如下：

（一）金相制样

按标准要求磨制金相试样。对试样采用4％硝酸酒精溶液进行化学浸蚀，浸蚀4～10秒后立即用水冲洗，再用无水乙醇冲洗，吹干。

（二）显微组织中晶粒状铁素体含量的检验步骤

1.打开显微镜电源，选择放大倍数为10×，观察金相试样显微组织。选择具有代表性的视场，用连接的数码相机拍照，在计算机上读取该照片。于OLYCIA  M3金相图像分析软件中打开该照片。

2.在工具栏中选定 “100hq”标尺，（注意：该选定的hq值应与放大倍数相同，否则最终成像效果受到影响，造成虚放大或缩小现象。）单击“图像”图标中的“彩色灰度化”，将彩色转为灰度，显示256级灰度图像。再单击“直方图均衡”，以增加当前图像的对比度和显示动态的边界。系统将分析当前图像的累积直方图并将它重新分配到图像的边界，优化当前图像细节部分的像素值。再单击“金相”图标，按需求进行 “视场设置”后，“裁剪”图像。见图1。

3.对裁剪后的图像进行阈值分割。点击工具栏中“分割”图标，即将灰度图像转化为只有两个灰度级的图像，即0……代表背景，1……代表物体。

针对试样，晶粒状铁素体呈均匀的白色即具有均匀一致的灰度值，并分布在一个具有另一个灰度值的均匀背景上，通过分割，去除了图像上混乱的背景信息，提取了晶粒状铁素体的信息，以供测量含量之需。

具体操作步骤：

（1） 对裁剪后的图像单击“分割”图标，系统已经自动进入物体与背景的二值处理，并计算出左右阈值的范围，确定出最大值和最小值，如果图像对比度不明显，则先调节对比度。使物体和背景对比度强烈，再进行二值化处理。

（2）       手动调节阈值范围：用鼠标拖动直方图上的两条标志线,使“原图”中的背景为绿色，再对照“原图”，在调节另一条标志线时，应盯住一个晶粒度点以使其边缘清晰，无缺少，又无增多。此时晶粒呈绿色，背景为黑色。此操作过程是测量晶粒状铁素体含量的关键过程之一。

对此调节阈值满意后，单击“应用”。

此操作已使物体即晶粒状铁素体提取为绿色，边缘清晰，无缺少，无增多，但图像上尚有一些“碎点”。

针对已“分割”的图像，接下来要进行“形态学处理”即对二值图像进行各种形态学处理。具体操作步骤：

（3）单击“形态学”。通常选择“八联通”即距离最近的八个点看作邻域，这比选择“四联通”的效果更好。点击“去碎屑”，碎屑大小根据图像值碎屑点的情况。一般选择“50～100”之间，点击“确定”，观察图像中去碎屑效果。即去除碎屑点，又没有使晶粒物体缺失，可以点击“应用”。此操作过程是测量晶粒状铁素体含量的关键过程之二。见图2。

（4）单击工具栏中“含量”图标，进行“第二项面积含量测定”。在弹出的窗口中输入第二相名称“晶粒状铁素体”，“测量步骤”中选择“提取第二相”、“删除碎屑”“测量第二相”，点击“执行”，则弹出报告模板。模板上既可获得该组织的平均含量即“晶粒状铁素体含量”。

图1  裁剪后金相组织    100×

图2  分割及形态学处理后金相组织   100×

五、对比试验

以下通过对钩尾框C级钢的一个试样显微组织的多视场观察，采用计点目测法、称重法和金相软件分析法分别测量其晶粒状铁素体含量，见表2。

表2

由于计点目测法是通过被测物体占标准网格的多少来确定晶粒状铁素体含量，数据相对准确，但方法繁琐。而称重法是通过手工裁剪，得到晶粒状铁素体后经天平称重，得其含量，但对于较细小晶粒不易裁剪。从表中数据分析看到，金相软件分析法测量晶粒状铁素体含量，测试结果稳定，分散值不大，说明采用金相软件分析法测量钩尾框C级钢中晶粒状铁素体的含量是可行可靠的。

六、结论

利用奥林巴斯金相显微镜软件分析系统对钩尾框C级钢中晶粒状铁素体的含量进行测定，该操作方法比计点目测法、称重法等测试方法在简便、更易操作的基础上保证了测试的准确性。但本文提到的关键的两步操作需要积累一定的经验。经过大量的实践之后，才能取得更好更准确的分析结果。

在确定晶粒状铁素体含量后对照金相评级图谱，可以确定该显微组织等级。为热处理工艺分析提供准确的依据，以便更好的改进热处理工艺。