1、计算机在材料科学与工程中的应用 第第6 6章章 计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用 本本 章章 要要 点点 6.1 材料成分的检测材料成分的检测 6.2 材料组织结构的检测材料组织结构的检测 6.3 材料力学性能的检测材料力学性能的检测 6.4 材料物理性能的检测材料物理性能的检测 6.1 材料成分的检测材料成分的检测 材料的组成对材料的性能和应用有很大的影响材料的组成对材料的性能和应用有很大的影响，许多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的性能。如材料的外表处理就是使材料的外表成分与心部如材料的外表处理就
2、是使材料的外表成分与心部不同不同，以获得材料外表的特殊性能以获得材料外表的特殊性能。因此因此，材料成分的检材料成分的检测对于材料研究有着特别重要的意义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)、扫描电镜扫描电镜SEM、透射电镜透射电镜TEM)，X射线射线衍射仪衍射仪、电子衍射仪电子衍射仪、各种谱仪如红外光谱仪各种谱仪如红外光谱仪、拉曼光谱拉曼光谱仪仪、原子吸收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激光光谱仪等进行材料成分的检测。一一分析电子显微方法分析电子显微方法 分析电子显微方法是现代电子显微学
3、领域中的重要组成都分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：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：电子能谱电子能谱EDS或或EDX与与SEM配套使用，元素分析配套使用，元素分析 电子探针电子探针X射线微区成分分析射线微区成分分析(EPM或或EPMA)(微区成分分析微区成分分析)俄歇电子能谱俄歇电子能谱AES外表成分分析、微区成分分析外表成分分析、微区成分分析 X射线光电子能谱射线光电子能谱XPS外表成分、化学态分析外表成分、化学态
4、分析 电子能量损失谱方法电子能量损失谱方法EELS 高角度散射暗场方法高角度散射暗场方法STEM也称也称Z衬度方法衬度方法 场发射电子枪技术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以下区域的成分分析 1计算计算、模拟软件模拟软件 输入被测材料的名称输入被测材料的名称、实验条件和分析要求；系统按某个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计算模型或公式输出计算结果、用于实验前的结果预测用于实验前的结果预测、与实与实验结果比较和验结果比较和 数据评价数据评价。如：由如：由Small World公司编制的公司
5、编制的Electron Flight Simulator软件软件，可依据蒙特卡罗法模拟求出入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射到试样中的电子散射的轨迹，也可计算试样产生的特征也可计算试样产生的特征X射射线谱等线谱等。2数据分析数据分析、图谱分析软件图谱分析软件 对仪器测得的实验结果对仪器测得的实验结果图像或图谱的数据图像或图谱的数据，按指定的按指定的公式公式、方法分析处理方法分析处理，得到进一步的更多信息得到进一步的更多信息结果结果。如：如：Galan Inc.公司的公司的EL/PM软件软件，可用于电子能量损失谱仪可用于电子能量损失谱仪EELS的控制和谱仪数据的分析的控制和
6、谱仪数据的分析，给出微区成分分析的结给出微区成分分析的结果等果等。3设备控制软件设备控制软件 控制各种分析设备装置分析过程的软件控制各种分析设备装置分析过程的软件。选择输入分析要选择输入分析要求求、实验条件实验条件，分析设备装置按照这些选择进行分析过程分析设备装置按照这些选择进行分析过程。大致可以分为三类大致可以分为三类数据处理软件局部数据处理软件局部：各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统控制下各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统控制下工作工作，数据处理软件大致可分三类：数据处理软件大致可分三类：二二光谱仪方法光谱仪方法 光谱分析是依据样品物质的特征光谱，研究其化学光谱分析
7、是依据样品物质的特征光谱，研究其化学成分和存在状态。在现代科学技术的开展中，光谱分析成分和存在状态。在现代科学技术的开展中，光谱分析在材料成分分析和结构分析中起着重要作用。在材料成分分析和结构分析中起着重要作用。微波辐射光谱微波辐射光谱 光学光谱光学光谱 拉曼光谱（激光）（散射光谱）拉曼光谱（激光）（散射光谱）吸收光谱吸收光谱 紫外光（20400nm）可见光（400800nm）近红外光（800900nm）红外光谱红外光谱（常用中红外：波数4000 400 cm-1）原子吸收光谱法原子吸收光谱法 顺磁共振光谱法顺磁共振光谱法 核磁共振光谱法核磁共振光谱法 紫外可见分光光度法紫外可见分光光度法 发
8、射光谱发射光谱 原子发射光谱法原子发射光谱法 分子荧光光谱法分子荧光光谱法 分子磷光分析法分子磷光分析法 化学发光分析法化学发光分析法 X射线光谱射线光谱 X射线波谱射线波谱（光学方法展谱）X射线能谱射线能谱（电子学方法展谱）计算机应用软件在光谱仪方法中的功能计算机应用软件在光谱仪方法中的功能 1测量参数选择测量参数选择 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
9、能显示、输入、修改、存储测量控制参数等。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。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完成一般的常规测量过程，同时数据系统把
10、测量数据依通道存入测量数据文件。据文件。4分析测量结果分析测量结果 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。便工作人员加以人工比较和判断。一、金相图像分析系统一、金相图像分析系统 人工金相定量分析法人工金相定量分析法：网格法、称重法等网格法、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局限性：准确性和重现性差、效率低、在某些情况下
11、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。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：计算机金相图像分析系统：金属平均晶粒度测定软件包、球墨铸铁球化率评级软件包、汽金属平均晶粒度测定软件包、球墨
12、铸铁球化率评级软件包、汽车渗碳晶粒度测定软件包等。车渗碳晶粒度测定软件包等。一一有关图像分析测量的要求有关图像分析测量的要求 试样要求平整、无污点、无磨痕；试样能进行反映组织细节试样要求平整、无污点、无磨痕；试样能进行反映组织细节的腐蚀，但不能过腐蚀。的腐蚀，但不能过腐蚀。6.2 材料组织结构的检测材料组织结构的检测 1.合金相的定量测量合金相的定量测量 1半自动网格法半自动网格法 半自动是指需要由人目判断合金相类型半自动是指需要由人目判断合金相类型，对待测合金相对待测合金相 所占网所占网格结点用鼠标点以不同的颜色以示区别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计算机自动统计
13、出待测合金相所占网格结点的数目和网格结点总数目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两者之比即为待测合金相的含量金相的含量。2区域识别法区域识别法 用鼠标先将待识别的组织划分为假设干闭合区域用鼠标先将待识别的组织划分为假设干闭合区域，假设闭合区域假设闭合区域内只有一种组织内只有一种组织单相单相，通过统计该区域内的像素数目就可以实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；假并送入该相计数累加器；假设闭合区域内有两种灰度设闭合区域内有两种灰度或颜色或颜色反差较大的组织反差较大的组织双相双相，那那么通
14、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相的识别和分别计数。并送人分别的计数累加器并送人分别的计数累加器，实现多区域的统实现多区域的统计识别计识别。最后根据计数累加器的数字就可得到相应的相含量最后根据计数累加器的数字就可得到相应的相含量。二二金相图像分析系统应用举例金相图像分析系统应用举例 2.非金属夹杂物的定量测量非金属夹杂物的定量测量 金相图像分析系统可以对非金属夹杂物的数量、大小、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：分布情况作自动定量检测，步骤如下：1非
15、金属夹杂物标记非金属夹杂物标记 2夹杂物特征参数的测量夹杂物特征参数的测量 3给出定量测量结果给出定量测量结果 3.脱碳层深度的定量测量脱碳层深度的定量测量 测量原理是根据脱碳层在金相图像上的灰度的变换。测量原理是根据脱碳层在金相图像上的灰度的变换。4.球墨铸铁的球化率评级测量球墨铸铁的球化率评级测量 国家标准国家标准GB9441-1988规定：规定：单颗石墨的面积率单颗石墨的面积率=石墨的实际面积石墨的实际面积/石墨的最小外接圆面积石墨的最小外接圆面积 二、材料缺陷的计算机评定二、材料缺陷的计算机评定 材料缺陷材料缺陷内部缺陷、外部缺陷内部缺陷、外部缺陷检测、分组评定是保证产品质检测、分组评
16、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。影响而不稳定。随着计算机图像处理与模式识别技术的开展以及材料缺陷特征参随着计算机图像处理与模式识别技术的开展以及材料缺陷特征参数的研究，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，根本上实现了材料出、缺陷识别、缺陷尺寸测量和分级评定等功能，根本上实现了材料缺陷检测、分级评定的全部自动化。缺陷检测、分级评定的全部自动化。1计算机材料缺陷评定系统硬件配置计算机材料缺陷评定系统硬件配置 投影仪（低倍放大）投影仪（低倍放大）显微镜（高倍放大）显微镜（高倍放大）摄摄 像像 机机 计计 算算 机机 打印机打印