铜合金中金相组织特征参数的测量

帅歌旺，张　萌

(南昌大学材料科学与工程学院，江西南昌　330047)

摘　要：根据体视学和定量金相分析的基本原理，利用Image-ProPlus(IPP)图像分析软件测定了铜合金金相组织的相体积分数、晶粒度大小、粒子间距等特征参数，并提出了一种测量粒子间距的近似算法。

关键词：定量金相分析；铜合金；特征参数

铜及铜合金由于具有优异的性能，一直是现代工业中用途广泛的重要的有色金属材料。通过金相检验可以了解材料的组织结构，认识显微组织对材料物理、化学、机械等性能的影响。因此，金相分析是一种控制产品质量的重要措施。但迄今有关铜合金的定量金相分析工作远远落后于钢铁材料，既无大量的数据积累，也没有针对性的分析方法。

为此，本文利用IPP(Image-ProPlus图象分析软件)强大的图像处理功能，初步研究开发了针对铜合金组织中诸如相体积分数、晶粒度大小、粒子间距等特征参数的分析测试方法，效果良好。

1　体视学基本符号和公式

为叙述方便，下面给出本文涉及到的常用体视学符号和基本公式：

符号：AA--面积分数，单位面积测量体上被测对象的面积

PV--被测对象的点数/测量体的总体积

Vv--体积分数，单位测量体上被测对象的体积

Ww--重量分数，单位重量测量体上被测对象的重量

ρα--被测量相(组织)的比重

ρT--整个合金的比重

基本公式：VV=AA=LL=PP(1)

Ww=Vvρα/ρT(2)

2　测量方法

定量金相分析工作包括金相试样制备、图像摄取、图像处理、定量分析等几个步骤。整个系统如图1所示：

图1　定量金相分析系统

计算机通过控制数码相机摄取图像数据，经处理后结果在打印机上输出。

2.1　图像摄取

磨制好的金相试样在MeF3型金相显微镜下进行观察，选定待测视场后，通过SVMICROTM型全自动数码相机将图像传送到计算机，金相观察可在计算机监视屏和显微镜上同步动态显示。选取欲分析区域后进行拍摄，图像直接输入计算机进行处理，整个过程方便、快捷。

2.2　图像处理

定量金相分析需要图像轮廓清晰，不同特征物间“，灰度”相差大，即反差大。而相同物间“，灰度”又应尽量接近，如此测试的结果才准确、可靠。因此原始图像必须经过预处理，IPP软件提供了亮度、对比度及多达几十种滤镜工具，可以得到利于计算的理想图像。

1.3　定量金相分析

IPP软件提供了Count、Measurement等基本计算工具，同时还提供了强大的宏编辑器，软件有了再开发的空间。本文观察了一系列铜合金的金相组织，利用IPP软件提出了相体积分数、粒子间距、晶粒尺寸等基本特征参数的测量方法。

3　特征参数测量

铜合金组织较为复杂，不同合金系其组织特征大为不同。合金组织中相的存在形式可以是粗大连续的组成相，也可以细小、弥散分布的第二相形式析出，甚至仅以单相固溶体构成。为使测量具有代表性，选取了三种典型的二元铜合金分别进行了合金组织体积分数、第二相粒子间距及晶粒度的测量。

3.1　相(组织)体积分数和重量分数的测定

相(组织)体积分数可以通过测量视场中各金相组织的面积求得。因为不同的组织对光的反射本领不同，在黑白金相图像上就表现为灰阶级别的差异，通过手工或自动设定灰阶界限，将不同的相(组织)区分开来，并算出每一相(组织)的面积，将之与图像总面积相除，即可得到AA，根据体视学基本公式：Vv=AA，得到相的体积分数。如果需要知道相的重量百分比，可通过公式(2)Ww=Vvρα/ρT求得，其中ρα为被测量相(组织)的比重，ρT为整个合金的比重。

我们采用真空熔铸制备了Cu-10%La和Cu-10%Y两种中间合金。中间合金是制备后续各种不同成分合金的关键配料，为此，要求能保证稳定正确的工艺，准确的成分。下面以Cu-La合金为例，讨论本实验中所采用的测算方法。根据Cu-La合金相图(图2)，由杠杆定理，可计算出含(0-35)wt%Cu的Cu-La合金常温下初晶α和共晶组织的体积分数：

(VV)α=WαρT/ρα(3)

(VV)eut=WeutρT/ρeut(4)

(VV)α/(VV)eut=Wαρeut/Weutρα(5)

其中　　ρeut=ρCu20/35+ρCu4La15/35(6)

Cu4La比重未知，我们按其化学组成近似求得，即

ρCu4La=ρCu×65%+ρLa×35%(7)

由(VV)α+(VV)eut=1，结合式(5)，可得(VV)α，(VV)eut。

若已知初晶α和共晶组织的体积分数(VV)α、(VV)eut，则可反过来计算合金中各元素的质量百分比，仍以Cu-La合金为例，计算其中Cu组元的质量百分比，过程如下：

由相图可知，含(0-35)wt%Cu的Cu-La合金组织均由初生α铜和(Cu+Cu4La)共晶体组成，则

WCu=WCu(α)+WCu(eut)=Wα+WeutWCu/eut=(VV)αρα/ρT+(VV)eutρeutWCu/eut/ρT(8)

ρT=(VV)αρα+(VV)eutρeut(9)

式中WCu(eut)——共晶体中Cu占整个合金质量分数

Weut——共晶体占整个合金质量分数

WCu/eut——共晶体中Cu所占质量分数

由相图可知，WCu/eut=85%，ρeut由式(6)求得，代入式(9)即可算出WCu。

图2　Cu-La相图富Cu部分

          图3　Cu-10%La合金金相图                           图4　Cu-10%Y合金金相图

图3为Cu-10%La中间合金金相组织，由白色初生α粗枝状晶、灰色Cu和CuRE金属间化合物共晶组织组成。由于两种组织具有不同的灰度级别，通过手工设定不同灰度级别范围进行辨别。采用上述方法计算了该合金中的相体积分数、Cu组元质量分数，如表1所示，对Cu-10%Y合金的金相组织照片(见图4)也进行了同样的处理和计算，结果示于表1：

从表1可以看出，理论值与实测值吻合很好，可见，此方法可作为了解Cu合金组织和成分构成的一个便捷手段。另外，从表1中的测量结果，我们还可定性了解这两种合金在熔铸时的凝固条件。

3.2　粒子间距的测量

第二相平均粒子间距用σ表示，它指的是从粒子中心到另一邻近粒子中心的平均距离。由IPP软件中并不能直接得到σ。在粒子数较多且分布比较均匀的情况下，我们用这些粒子在X、Y轴等间距刚好排满时粒子在轴向的相邻距离来近似代替(图5)。在这种假设下，，LX、LY代表图片长和宽，N为粒子个数，其中LX、LY、N都可以通过IPP直接得到。如图6所示Cu-Cr合金的金相组织，Cu基体上分布着白色的Cr颗粒。采用上述方法计算得到Cr颗粒的平均间距σ=15.8μm，与用手工方法直接在图上多次测量求平均值得到的值13.5μm接近，粒子所占面积比AA=2.5%，圆整度Roundness=1.07，因为Cr在Cu中的溶解度极小，因此可以认为Cr相在Cu基体中的体积分数Vv=2.5%，由公式(2)可算得Cr的质量百分比。

       图5　算法示意图                                 图6　Cu-Cr合金

3.3　晶粒大小的测定[6-7]

我们还测定了图7所示Cu2%Be合金的晶粒度大小。为使测试结果准确，原始图必须进行Contrast、Lowpass、Median等处理，以消除杂质点的影响，利用Pruning工具提取晶界和二值化处理后的图像如图8所示。可以看出，图7与图8的轮廓基本相符。由图7的计算结果可知，Cu-2%Be合金的晶粒平均直径为14.8μm。

    图7　Cu2%Be合金相图                               图8　Cu2A%Be合金晶界图

4　结　论

本文对IPP图像处理软件的应用进行了再度开发，成功地应用于测量Cu合金金相组织的有关特征参数，并提出了一种测量粒子间距的近似算法。