第四章 计算机在材料检测中的应用

主要内容

4.1在线测量基本原理

4.2材料成分的检测

4.3材料组织结构的检测

4.4材料力学性能的检测

4.5材料物理性能的测量

4.6联机电化学测试系统

12:572011-12-32/29吸也裳：±交性x.z.Lin

4.1在线测量基本原理

（一）传统测量方法（人工测量）

最大弊端：工作量大且容易出错。

（二）在线测量方法

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-33/29Ini"””,“Svience*

（三）在线测量系统的组成和原理

“

多采

样

路A/D“

保

测开转换器,一鞅

玲

吴

型

量

计

仪

采

多算

样

路

D/A-1

保

器开机

转换器,

持

外

执行器3---------------模拟控制1

图4.3在线测量系统组成与原理.

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-34/29Sicbt*ofSvien"*SSftSSHEI

（四）计算机在材料检测中的应用

材料的性能主要决定于它的化学成分和组织结构。化学成分不同的材

料具有不同的性能；而相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的

组织结构时，也将具有不同的性能。材料科学就是以材料的成分、加工工

艺、组织结构和性能的关系及其变化规律为研究对象的；以这些关系和规

律作为依据，可以为材料设计适当的成分和适宜的加工工艺，从而获得预

期的组织结构，当然也获得材料的最终性能。所以在材料科学中，对材料

成分、组织结构的分析与研究、材料的性能检测是十分重要的。

由于材料检测的重要性和迫切需要，随着计算机技术的快速发展，计

算机在材料的成份、组织结构、力学性能、物理性能等的检测方面的得到

了广泛的应用。目前，较先进的材料检测方法和设备都是在计算机控制下

工作的，同时，其检测到的各种数据也可直接通过计算机处理，得到我们

需要的各种数据。

下面将分类举例介绍计算机在材料检测方面的应用，重点介绍如何在

材料科学中应用计算机解决材树检测方面各种实际的问题。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-35/29Ini"””,“Svience*

------4--.-2-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，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的性能。

如材料的表面处理就是使材料的表面成分与心部不同，以获得

材料表面的特殊性能。因此，材料成分的检测对于材料研究有

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（SPM）、

扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）,X射线衍射仪、电子

衍射仪、各种谱仪如红外光谱仪、拉曼光谱仪、原子吸收光谱

仪、激光光谱仪等进行材料成分的检测。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-36/29Sicbm*Ini""",ofSvien**

（一）分析电子显微方法

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。

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：

r电子能谱（EDS或EDX）（与SEM配套使用，元素分析）

r电子探针X射线微区成分分析（EPM或EPMA）（微区成分分析）

r俄歇电子能谱（AES）（表面成分分析、微区成分分析）

rX射线光电子能谱（XPS）（表面成分、化学态分析）

3电子能量损失谱方法（EELS）

U高角度散射暗场方法（STEM）（也称Z衬度方法）

3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lnm

以下区域的成分分析）

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-37/29Ini"””,“Svience*

计算机在成分分析设备上的应用

大致可以分为三类（数据处理软件部分）：

（1）计算、模拟软件

输入被测材料的名称、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、用于实验前的结果预测、与实验结果比较和

数据评价。（如：由SmallWorld公司编制的ElectronFlight

Simulator软件，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，也可计算试样产生的特征X射线谱等。）

（2）数据分析、图谱分析软件

对仪器测得的实验结果（图像或图谱的数据），按指定的公式、

方法分析处理，得到进一步的更多信息（结果）。（如：GalanInc.

公司的EL/P（M）软件，可用于电子能量损失谱仪（EELS）的控制

和谱仪数据的分析，给出微区成分分析的结果等。）

（3）设备控制软件

控制各种分析设备装置分析过程的软件。选择输入分析要求、实

验条件，分析设备装置按照这些选择进行分析过程。

12:572011-12-38/29⑷M箧产$院x.z.Lin

（二）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

成分和存在状态。在现代科学技术的发展中，光谱分析

在材料成分分析和结构分析中起着重要作用。

x射线波谱（光学方法展谱）

X射线光谱〔X射线能谱（电子学方法展谱）

微波辐射光谱紫外光（20〜400nm）.紫外可见分光光度法

可见光（400~800nm），

、、近红外光（800〜900nm）

f吸收光谱〈红外光谱（常用中红外：波数4000〜400cnri）

原子吸收光谱法

顺磁共振光谱法

光学光谱核磁共振光谱法

拉曼光谱（激光）（散射光谱）

原子发射光谱法

分子荧光光谱法

I发射光谱分子磷光分析法

学发光分析法

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-39/29Ini"””,“Svience*

计算机应用软件在光谱仪方法中的功能

(1)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

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；并能显示、输入、修改、存储测量控制参数等。

(2)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

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。

(3)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

据文件。

(4)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

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。

12:572011-12-310/29⑷M健三$院x.z.Lin

4.3材料组织结构的检测

材料科学是以材料的成分、加工工艺、组织结构与性能

的关系及其变化规律为研究对象的，所以材料科学研究中通

常都要检测直接影响性能的材料组织，评价材料缺陷；在了

解了材料组织与缺陷，以及其与性能之间的关系的变化规律

的基础上进行计算机仿真，则是材料科学研究的新手段。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-311/29Sicbm*Ini""",ofSvien**

（一）金相图像分析系统

人工金相定量分析法：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。

计算机金相图像分析系统：

——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。

金相图像分析系统经过数十年的不断升级和发展，已形成一套设计先进、功

能齐全、软件丰富、性能稳定、测量准确可养、测量方法符合国际国内标准的金

相图像分析产品，如中国科学院北京中科科仪计算技术公司的SiSc1AS系列图像

分析系统，细节可访问网站WWW.CAS-SiS.Clio

H包括：金属平均晶粒度测定软件包、球墨铸铁球化率评级软件包、

汽车渗碳晶粒度测定软件包等。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-312/29Sicbm*Ini""",ofSvien**

（1）合金相的定量测量

金相图像分析系统可以确定金相组织中合金相的类型及其含量，

系统提供两种识别方法：

1）半自动网格法

网格法是一种典型的计点分析法，以往都是由人实现计点的，这里是

计算机自动识别。半自动是指需要由人目判断合金相类型，对待测合金相

所占网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

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金相的

含量。

2）区域识别法

用鼠标先将待识别的组织划分为若干闭合区域，若闭合区域内只有一

种组织（单相），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，并送入该相计数累加器；若闭合区域内有两种灰度

（或颜色）反差较大的组织（双相），那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。并送人分别的计

数累加器，实现多区域的统计识别。最后根据计数累加器的数字就可得到

相应的相含量。

12:572011-12-313/29⑷M箧产$院x.z.Lin

表7・1合金相的定1副置婚果示例

测量结果数据文件（：；VLALT

巴潮视场数目J

柄踹个数146

桃场面积3.62160E-00I

卷证物面积6卅28951002

占机场面积百分比16,8%

面积靴

14/29⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-3SiCtuCni“，U<¥。，Science*

（2）非金属夹杂物的定量测量

钢中的非金属夹杂物对性能瓢响很大、其影响程度主要取决于

非金属夹杂物的性质、数量、大小、分布情况等。一般认为非金属夹

杂物越少，且细小颗粒呈均匀分布时对钢的性能影响越小。但由于以

前人工测量手段的局限，包括GB1056—1989规定的标准等级图片法，

对非金属夹杂物的数量、大小、分布情况等也只能有定性的认识，定

量测量很粗略。

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：

1）非金属夹杂物标记

不同的夹杂物标以不同的标记数值，以便对每个夹杂物进行识别测量。

2）夹杂物特征参数的测量

包括夹杂物体积分数、形状因子、平均面积、分布情况等的测量。

3）给出定量测量结果

12:572011-12-315/29⑷M健三$院x.z.Lin

表r•金融杂物的定■测■第果示例

■i版辘遥C：W2.ALY

一3

日倒视嬲目

楸［物僮132

在劣视场

氧化物含量（面积的百分比）0,49%

底化蝠量（而哪用分出）0.07%

----------------■!.，.!»A*vn*,^rr--------T-L-----------------------------------------------------1

硅鼬含1（面积的跖比）^001%

12:572011-12-316/29⑷M便工W吃x.z.Lin

*__Sichuaetn，'”，，l>t>(SocnceAt»ync«nny

（二）材料缺陷的计算机评定

材料缺陷（内部缺陷、外部缺陷）检测、分组评定是保证产品质

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

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

影响而不稳定。

随着计算机图像处理与模式识别技术的发展以及材料缺陷特征参

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

出、缺陷识别、缺陷尺寸测量和分级评定等功能，基本上实现了材料

缺陷检测、分级评定的全部自动化。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-317/29Ini"””,“Svience*

（1）计算机材料缺陷评定系统硬件配置

投影仪（低倍放大）打印机

摄

计

像

算

机

机

显微镜（高倍放大）显示器

计算机材料缺陷评定系统硬件配置示意图

12:572011-12-318/29⑷M黄N袈院X.Z.Lin

Sicbt*ofSvien"*SSftSSHEI

（2）计算机材料缺陷评定系统软件构成

1）图像采集及存储模块

用于实现参数定义、采集及存储图像。用此模块，计算机控制投影仪、显

微镜、摄像机、采集和实时显示欲分析的材料图像，并以文件形式存储该图像

备案。

2）图像预处理模块

主要用于图像增强。此模块主要包括：图像数字化、消噪处理、图像增强、

锐化处理、二值化等计算机图像技术处理，以改善缺陷的图像质量。

3）特征提取模块

用于针对缺陷的特征，提取被采集部位的图像的缺陷信息，采用合适的识

别准则判定缺陷的类型、位置等，列出缺陷的主要特征参数表格。

4）分析模块

主要用于列出各种缺陷分布情况结果，负责数据存储并评定级别。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-319/29Ini"””,“Svience*

（三）材料显微组织的计算机仿真

在大量的材料显微组织检测后，了解了材料组织以及其与性能之

间的关系和变化规律的基础上，就可进行计算机仿真，建立材料的显

微组织模型（三维模型），然后反过来又可用该显微组织模型推测

（而不是检测）材料的性能。

例：颗粒复合材料显微组织的计算机仿真

颗粒复合材料的性能对其显微组织是特别敏感的，建立两者之间的关系已

经成为颗粒复合材料显微组织设计的重要内容。

由于材料是不透明的，直接从实际材料观测其三维显微组织很困难，目前

可用的方法包括从材料二维截面推测其三维织织特征及参量的体视学方法、以

及材料的系列金相截面进行三维重建的方法等。其中体视学方法是间接的，试

样要满足一定的条件，而系列金相截面进行三维重建法工作量很大；可以用计

算机仿真模拟具有不同颗粒和基体组织参数的颗粒增强复合材料显微组织。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-320/29Ini"””,“Svience*

(1)增强粒子的空间分布

颗粒复合材料中颗粒的组织结构参数包括粒子形状、尺寸、位置及

空间分布、数量(体积分数和总颗粒分数)等，这些颗粒的几何特征参

数都会影响到材料的性能。可以用数据结构来表示颗粒的几何特征参数。

其中，模拟实际复合材料中颗粒的空间分布是要着重解决的问题，

因为颗粒分布对材料的性能有重要影响。对于不同的空间分布，可采

用的颗粒坐标计算方法如下：

周期分布：X二是，F=K，Z=Z&(i,j,卜=1,2,…，W);

随机分布：X=RAND(0,九)，丫:RAND(0,%)，2=RAND(0,

层状分布：X=RAND(0,V=RAND(0,%),Z=Z*+RAND(0,

2),(L=1,2,…，N)i

线状分布：X=RAND(0,X3RAND(0,7J,Z-+RAND

(0,Z,n),(j,k=l,2,…，N)\

团聚分布：犬=凡+RAND(0,M)，丫:"+RAND(0,兀)，Z=4+

RAND(0,ZJ,(i,j,k=1,2,…，A)；

12:572011-12-321/29⑷M箧产$院x.z.Lin

(2)基体的MONTECARLO(蒙特卡罗)仿真

蒙特卡罗法亦称为随机模拟或随机抽样技术。所谓蒙特卡罗法是把

某一问题作出一个适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计

算的统计量值来估计，从而由这个参数找出最初所述问题中包含的未知量

的方法。

颗粒增强复合材料的基体组织一般是多晶聚集体，其晶粒的形状、尺

寸及尺寸分布等参数对其性能有着重要的影响。多晶基体的晶粒长大过

程可认为是一随机过程，可以利用蒙持卡罗仿真方法来模拟。一些材料科

学工作者运用蒙特卡罗方法模拟晶粒长大过程已取得了较大的进展。可把

这类模拟组织作为颗粒增强复合材料的基体组织的一种模型，这种仿真方

法所得到的多晶基体组织与实际上的近似等轴的晶粒组织非常接近。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-322/29Ini"””,“Svience*

（3）三维可视仿真结果

由上述第一步产生不同形状、尺寸、位置及空间分布、数量（体积

分数和总额粘分数）的颗粒组织数据；

再将其与第二步（蒙持卡罗方法）结合，在颗粒组织的基础上产生

基体组织，得到了具有不同平均晶粒尺寸的颗粒增强复合树料的显微组

织。

在仿真程序中，颗粒的形状可以选择为球状、椭球体、圆柱体、规

则多面体等。颗粒的空间分布可以选择为周期分布、随机分市、层状分

布、线状分布、团聚分布等，通过改变颗粒和基体组织参数，可以仿真

出各种实际颗粒增强复合材料的显微组织。

三维可视仿真结果出来后，就可以作任意的二维截面，从而用于颗

粒组织和多晶聚集体的体视学研究；可以用于颗粒空间分布的表征问题

的研究；可以将三维仿真组织转化为数据文件，并赋予其中各相以材料

性质，作为颗粒增强复合材料计算的材料模型。

12:572011-12-323/29⑷M健三$院x.z.Lin

4.4材料力学性能的检测

---------------------------------------------------------

材料的力学性能指标是工程结构安全设计的基础，主要包括

屈服强度、抗拉强度、断裂强度、冲击韧度、硬度、疲劳强度和

蠕变强度，以及伸长率、断面收缩率等。

随着科学技术与工业生产的发展，材料的力学性能的检测范

围变得越来越广，检测技术的要求也越来越高。电子技术、计算

机技术的引入，使材料力学性能检测的实验设备的自动化程度几乎

达到了智能化，测量精度也大大提高。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-324/29Sicbm*Ini""",ofSvien**

例：万能材料试验机的计算机辅助测试系统

(1)系统工作原理及主要装置

r

力传感器计---显示器

;一放;转算

检,大卜换机

:—器,板

测引伸仪I打印机

图7.3万能材料试验机的计算机辅助测试系统组成国

采用特殊的PWM数控电液比例微小流量阀：即可实现缓慢或

微小的位移控制，又能实现一定速度的试验过程控制；既能作应力

控控制，也能作应变控制，还能作二者复合控制，且其控制范围相当

制宽

"由计算机、PWM流量阀和直接驱动流量阀的多功能板卡构成

材料试验机的PWM数字伺服系统，使材料试验机的控制精度、控

制稳定性、控制范围和软件设汁的难易程度都有较大的改善。

⑷M黄N袈院X.Z.Lin

12:572011-12-325/29SiCtuUni""",oCence*

(2)系统软件的组成

■多层菜单形式——有试验参数设定、数据采集、数据处理和试

验结果输出等子菜单；

【二实时软件滤波程序——在采样过程中运行实时软件滤波程序，

消除试验过程中随机干扰信号和周期性高