分析钢材中的非金属夹杂物

分析钢材中的非金属夹杂物

背景

非金属夹杂物是在制造过程中嵌入到钢材中的化合物材料。夹杂物的化学来源各有不同,并会使钢材呈现出不同的机械属性,如:可成形性、强韧性、机械加工性和耐腐蚀性。一般来说,夹杂物越少,或夹杂严重程度越低,钢材的质量就越高。因此,分析和记录钢材中非金属夹杂物的情况是控制钢材质量的重要环节。

挑战

在北美和南美,ASTM E45是分析钢材中非金属夹杂物的主要标准。质量控制实验室过去使用,还将继续使用ASTM的图表比较方法对夹杂物进行分析。操作人员使用这种方法,将光学显微镜下的实时图像与通常张贴在显微镜附近墙壁上的显微图像进行比较,可以对夹杂物的类型和严重程度进行目测估计。
在数码成像技术出现之前,ASTM E45标准所规定的放大倍率要求是使用复式显微镜在100倍的总放大倍率下(10×物镜和10×目镜)评估夹杂物。但是,为了顺应数码图像分析的发展趋势,这个标准得到了更新:在使用10×物镜时,分辨率需要达到1.0 μm/像素或者更好的像素。由于数码图像分析方法具有超级准确性和可重复性,因此目前受到用户的普遍欢迎,这种方法有助于避免人眼目测会造成的主观错误。此外,分析结果的记录环节也可被顺畅地集成到工作流程中。我们如何成功地使用数码成像解决方案对钢材中的非金属夹杂物进行符合ASTM E45标准的分析呢?

解决方案

对样品进行适当的准备之后,就可以使用一台可提供反射光、明场条件的复式显微镜(正置或倒置型号),在被测钢制样品的表面上直接观察到非金属夹杂物。由于夹杂物与样品之间较高的对比度,可以很容易地观察并分析夹杂物:在钢材明亮、高反光的背景中,夹杂物呈现为暗色。不同夹杂物类型(即球状氧化物和硅酸盐)的形态参数各有不同,它们的灰度值(即氧化铝和硫化物)也各不相同。
分析钢材中的非金属夹杂物
得益于现代图像分析软件的不断发展,各行业的用户都可以立即开始使用一种专为达到实验室环境要求的完全集成式数码解决方案,对钢材中的非金属夹杂物进行评估。在设计基于显微镜的图像分析解决方案时,我们考虑到了ASTM E45标准以及其他国际标准的要求。任何用户只需基本的培训,就可以使用这个解决方案,准确、重复地评估钢材中的夹杂物。

配置

通过数码图像分析方法对钢材中的非金属夹杂物进行分析所需要的典型设备配置包含以下组件。

倒置金相显微镜

倒置显微镜一般来说比正置显微镜更受欢迎,由于可以将磨平抛光的样品直接平放在倒置显微镜的机械载物台上,因而可以确保在移动载物台观察时,始终保持样品聚焦。

材料科学显微镜专用的图像分析软件

由于钢材中非金属夹杂物独特的形态参数及其固有的高对比度水平,使用图像分析软件可以准确、重复、方便地探测到这种非金属夹杂物。许多材料科学显微镜专用的图像分析软件包为用户提供一些可选配的附加模块,这些模块可使用户根据ASTM E45及其他各种国际标准的要求获得分析结果。
典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头

典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头

10×金相物镜

对非金属夹杂物的评估分析需要10倍放大倍率的物镜。

CCD或CMOS数码显微镜摄像头

在为夹杂物的评估分析选择摄像头时要考虑的最重要的规格是像素的大小。根据ASTM E45标准,这种应用所需要的校准数码像素的大小为1.0 μm/像素或更高。例如:在使用1个10×物镜和0.63×摄像头适配器时,数码摄像头未校准的实际像素需要达到6.3 μm或更高的水平。
校准的数码分辨率 = (实际像素大小)÷(物镜的放大倍率)÷(摄像头适配器的放大倍率)
校准的数码分辨率 =(6.3 μm)÷(10)÷(0.63)
校准的数码分辨率 = 1 μm/像素
建议使用编码手动或电动物镜转盘。所选的图像分析软件应该能够随时自动读取物镜的放大倍率。自动识别并读取放大倍率可以确保高水平的测量准确度,因为无需再以手动方式将物镜的放大倍率输入到软件中,因而可以避免人为错误的发生。
需要使用一个手动或电动的载物台,操控样品并将观察目标定位在关注区域,以便更好地进行观察和分析。不过,由于ASTM E45标准规定要进行分析必须至少扫查160平方毫米的区域,因此我们建议用户使用一个电动载物台,这样就可以对载物台进行配置,以使扫查区域的面积达到标准的要求。
用户所选择的PC机必须满足摄像头和图像分析软件所需的最低系统要求。还需要一个高分辨率显示屏。

程序

  1. 选择10×放大倍率的物镜,然后在反射光、明场的条件下,操控载物台上的样品,以观察含有要分析的夹杂物的关注区域。如果使用的是电动载物台,则需为软件编程,使载物台扫查所需大小的关注区域(根据ASTM E45标准,至少要扫查160平方毫米的区域)。
  2. 通过图像分析软件捕获数码图像
  3. 在夹杂物评估软件中,设置灰度阈值,以定义所有夹杂物,还要分别将氧化物与硫化物区分开来。这样,图像分析软件就会自动区分出这两类夹杂物。
  4. 软件会分析图像,并评估夹杂物是否符合所选标准的要求。

    典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头典型的设备配置:倒置金相显微镜、10×金相物镜,以及1个高分辨率显微镜摄像头
  5. 软件基于用户的预定义模板,可以自动生成包含分析结果、对应的夹杂物图像和所有相关数据在内的报告。

总结

由于钢材中非金属夹杂物与其金属背景之间固有的高对比度,可以使用材料科学显微镜专用的图像分析软件对非金属夹杂物进行准确的具有重复性的评估分析。许多软件包都符合ASTM E45和各种国际标准的要求,而且应用起来非常轻松。除了可以进行分析,许多软件包还具有基于分析数据自动生成报告的性能,甚至还可提供整合性数据库,可使用户轻松归档数据,并快速搜索图像和相关数据。在考虑购买一种用于评估非金属夹杂物的解决方案时,直接与材料科学专用显微镜的制造商协同合作,至关重要,因为他们可以在为您提供解决方案的每一个步骤中(从设备选择到整体部署)提供有效的帮助。
参考信息
Carmo Pelliciari,工程学博士,冶金顾问。
美国材料与试验协会(ASTM)E45-11标准
ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA