基于Image J的球鐵石墨定量分析

宗曉明，李繼峰，肖伯濤

（1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南洛陽 471039；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074）

球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，對基體的削弱和造成應力集中很小，故強度高，又有良好的塑性和韌性，而且鑄造性能好、成本低、生產(chǎn)方便，在工業(yè)上應用廣泛。石墨球的數(shù)量、圓整度、大小、分布對球鐵的力學性能有顯著的影響。因此，對于球鐵中石墨的定量分析有著重要的意義。

近幾年，一些國家開發(fā)了功能齊全的金相組織分析系統(tǒng)，但由于價格過于昂貴，許多企業(yè)無力承擔。ImageJ圖像分析軟件是美國國家心理健康研究所（National Instituteof Mental Health）開發(fā)的免費科學圖像分析工具，現(xiàn)廣泛應用于金相分析領域（可從http：//rsb.info.nih.gov/ij/處下載到）。ImageJ軟件可以計算區(qū)域內分析對象的一系列幾何特征。分析指數(shù)包括：長度、角度、周長、面積、長軸、短軸、圓度、最佳橢圓擬合、最小外接矩形擬合以及質心坐標等。此外，ImageJ軟件還支持插件技術，用戶可根據(jù)自身需求用java語言編寫各種幾何特征分析程序[1]。

目前對于球鐵內石墨形態(tài)與分布多是定性或半定量分析，具有較強的主觀性，本文利用圖形處理軟件ImageJ，并運用體視學原理，對球鐵石墨進行了精確的分析，探索了一種研究球鐵石墨分布與形態(tài)的方法。本研究的特點有：

1）分析精確，在微米單位上對球鐵石墨進行各項參數(shù)分析。

2）設備簡單，僅在現(xiàn)有光學顯微系統(tǒng)的基礎上，運用圖像處理軟件，即可完成。

3）為球鐵材料性能研究提供了詳實的數(shù)據(jù)基礎和有力的理論支持，適用領域廣泛。

1 球鐵石墨的圖像處理

圖1 為進行球鐵石墨分析的流程圖，包括圖像的獲取、圖像前處理、獲得2值圖、設定比例及石墨分析，本實驗的石墨圖像通過MDS型金相顯微鏡獲得。

圖1 分析流程圖

1.1 圖像的前處理

金相顯微鏡抓取的球鐵石墨圖片為真彩色圖，首先應將其轉化為256階灰度圖即8-bit圖（見圖2 a））。其后對圖像進行降噪處理，這里采用中值濾波（median filter），中值濾波的最大的優(yōu)點是在過濾噪聲的同時，還能很好地保護邊緣輪廓信息，濾波對圖像的影響不大，濾波半徑選取2個像素（如圖2 b））.

圖2 圖像的前處理

1.2 二值圖的獲得

為了實現(xiàn)對石墨定量統(tǒng)計，首先要進行圖像分割，圖像分割的目的在于要將256階灰度圖轉變?yōu)閮H有黑（灰度值為0）和白（灰度值為1）兩種顏色構成的所謂二值圖，方便以后的計算.這一過程是通過選取適當?shù)幕叶乳y值（thres hold）來實現(xiàn)，超過閥值部分的灰度重新分配以最大灰度（即白色），而低于閥值的部分則分配以最小灰度（即黑色）。在球鐵金相圖中，亮的部分為基體，暗的部分為石墨球，在調整閥值時，把石墨轉變?yōu)楹谏ㄖ禐?），而把基體轉變?yōu)榘咨ㄖ禐?），這樣，得到的圖像就成了黑白二色圖[2]，如圖3 d）所示。在具體分割時，經(jīng)過對分割前后的照片的反復對照比較，確定最佳的閥值在40～50之間，根據(jù)具體圖像略有變化（圖3）.

1.3 比例的設定

圖3 二值圖的獲得

對圖像參數(shù)的測量由ImageJ自帶的功能完成，在測定之前首先要進行真實尺寸的標定。使像素與實際尺寸建立對應關系，不同金相顯微鏡獲得的圖像實際大小是不同的，在本例分析中，金相顯微鏡采集圖像的實際大小為1024 μm×768 μm，在ImageJ中打開時，其默認大小為1024×768像素，因此，設定其對應關系為1，如圖4。對于一般的情況，應計算出1 μm所對應的像素個數(shù)，然后在setscale中設定即可。

圖4 設定比例參數(shù)

1.4 測量機理及參數(shù)的設定

ImageJ以圖像中的每個黑色像素聚集區(qū)（即每個石墨球）作為單位測量對象，進行測量和計算?？稍趨?shù)設置對話框中設置需要測量的參數(shù)，如圖5 a），在本例中，我們測量的參數(shù)有石墨球個數(shù)、平均面積、百分比、圓度等。其中，石墨面積的測量是通過計算相鄰黑色像素總數(shù)獲得，外接圓直徑（feret）通過對象中任意個像素間距離的最大值獲得。ImageJ還為每個石墨球擬合了一個橢圓，并提供了該橢圓的主軸和副軸長，以及主軸與所在坐標系x軸的夾角。結果輸出欄有兩個，我們在數(shù)據(jù)分析設置時，選中Display Results和Summarize兩項如圖5 b），一個給出了每個石墨球的各項參數(shù)，另一個為總結欄，除了給出當前圖像的處理閥值和總石墨球數(shù)外，還計算了石墨總面積、石墨面積分數(shù)和平均尺寸（面積）等。根據(jù)GB9441-88，在石墨統(tǒng)計時，濾去直徑小于20 μm的石墨顆粒。

圖5 參數(shù)的設定

2 石墨形態(tài)分析

2.1 石墨特征分析

根據(jù)GB9441-88球墨鑄鐵金相檢驗標準，選取以下幾個參數(shù)對球鐵石墨形態(tài)進行分析[3]：

1）石墨球的個數(shù)：每張金相圖中，石墨球的總個數(shù)。

2）石墨比例：石墨在金相圖中所占的面積百分數(shù)。

3）石墨的平均面積及分布：石墨平均面積可以反映石墨的整體粒度大小，石墨的面積分布可以反映各種粒度的石墨所占的比例，即石墨的均勻性。

4）石墨球的形狀系數(shù)K及分布：石墨的面積為A，石墨的周長為 L，則K=4 πA/L2，以此反映石墨的形狀，K的取值在0～1之間，越接近1，石墨顆粒越圓整。

5）石墨球的外接圓直徑：每個石墨球中，任意兩個像素間距離的最大值，即擬合橢圓的長軸長度。在球化率的分析中，做為外接圓直徑。

6）石墨的取向角：石墨顆粒的擬合橢圓長軸與水平方向所成角度，用于石墨走向的判定。

2.2 測量結果及分析

對圖3 d）中的石墨進行分析統(tǒng)計，結果輸出包括兩部分，石墨各項參數(shù)的總結表和明細表。表1所示為總結表，從中可以得到石墨個數(shù)、平均面積、百分比、周長、取向角、形狀系數(shù)及外接圓直徑信息，通過表1，可以了解石墨球的整體性能，對以上參數(shù)值進一步處理，可以得到石墨球更詳細的信息，如等周長圓直徑、等面積圓直徑等。明細表即每個石墨球的具體參數(shù)，因其篇幅較大，此處不做列出。

表1 石墨各項參數(shù)總結

石墨球的大小及圓整度對球鐵性能有著重要的影響，以往對石墨球的大小及圓整度分析多為整體分析，沒有考慮到其分布規(guī)律。這里，通過對明細表中的石墨面積和形狀系數(shù)參數(shù)進行排序、統(tǒng)計得到表2和表3，石墨面積與形狀系數(shù)的分布圖如圖6和圖7.從圖6可以看出，石墨大小主要集中在 0 μm2～800 μm2，占了總石墨數(shù)量的 77.8%.從圖7可以看出石墨球的形狀系數(shù)主要集中在0.7～0.9，占了總石墨數(shù)量的77.8%.通過考察石墨大小與形狀系數(shù)的分布，可以更好地分析石墨的性能。

表2 石墨面積分布

表3 形狀系數(shù)分布

圖6 石墨面積分布圖

2.3 球化率的計算

球化率是分析球墨鑄鐵的一個常用指標，對于球化率的計算，首先算出面積率，再把面積率和球狀修正系數(shù)對照如表4，對每個石墨進行分類統(tǒng)計，把所得結果代入球化率公式中，計算出球化率數(shù)值，對照球化率分級表如表5，即可得到球化率級別[4]。根據(jù)G B 9441-88，計算球化率時，壓邊的石墨球不完整，不能計算在內，因此對圖像的壓邊石墨進行填充處理，如圖8 a）中圈內是需要剔除的壓邊石墨，圖8 b）為處理后的圖像，對圖8 b）進行分析，得到石墨各項參數(shù)的總結表與明細表見表6.

圖7 石墨形狀系數(shù)分布圖

圖8 壓邊石墨的剔除

表4 面積率和球狀修正系數(shù)對照表

表5 球化率分級表

表6 剔除壓邊石墨后的石墨各項參數(shù)總結

1）面積率的計算及石墨的分類統(tǒng)計

石墨的面積率=石墨的實際面積/石墨最小外接圓面積，每個石墨的面積及最小外接圓直徑在明細表中已經(jīng)列出，在excel中編輯公式，實現(xiàn)對每個石墨面積率的計算，然后對其進行排序，統(tǒng)計結果為表7.

2）球化率的計算及球化級別的確定

表7 球狀修正系數(shù)對應的石墨顆粒數(shù)

其中 n1.0，n0.8，n0.6，n0.3，n0分別代表五種修正系數(shù)的石墨顆粒數(shù)，將表7統(tǒng)計結果代入球化率公式，得到球化率的結果為75.76%.對照表5可以得到球化級別為4級。與國家標準對比（圖9），完全符合。

圖9 與國標對比圖

3 結 論

1）在現(xiàn)有金相顯微鏡的條件下，借助imagej軟件，開發(fā)了一種球鐵石墨定量分析的新方法，該方法能精確分析球鐵中的石墨相，計算石墨球的個數(shù)、面積、百分比、形狀系數(shù)、取向角；能快速精確的計算球化率。

2）該方法操作簡便，易于普及，有效地解決了人工測量的繁瑣及誤差，提高了測量的精度和準確性。隨著計算機技術和體視學的發(fā)展，圖像分析軟件被廣泛地應用于金相分析中，金相分析技術正從定性或半定量的工作狀態(tài)向定量方向發(fā)展。

［1］湯國華，楊俊和，張琢，等.一種定量分析多孔材料孔隙結構的新方法［J］.煤炭轉化，2004（1）：71-75.

［2］姜兆輝，金劍，肖長發(fā)，等.高均一性聚丙烯/炭黑薄膜的制備及炭黑分散性的定量表征［J］.分析測試學報，2011（3）：330-335.

［3］劉洋，楊弋濤，趙凌，等.基于Matlab的球鐵石墨定量分析［J］.鑄造，2006（7）：707-710.

［4］謝建林，厲丹，王爽.基于面積率的球墨鑄鐵圖像球化率評級［J］.科技資訊，2008（34）：240.