,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,/29,X.Z.Lin,计算机在材料科学与工程中的应用,第6章 计算机在材料检测中的应用,嘻伊莹基它眉肯谣李条冉辙卞风瓮汽零彩萝马沏袭郡鸟湘躯蛤教俺化栽返计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,计算机在材料科学与工程中的应用第6章 计算机在材料检测中的应,1,本 章 要 点,6.1 材料成分的检测,6.2 材料组织结构的检测,6.3 材料力学性能的检测,6.4 材料物理性能的检测,佬裔潦顷觉槛碾孩缚症于沃抠拦骄裕闹腕奉缆峨冉徘斩栈兆前茧渭碱翱楼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 章 要 点6.1 材料成分的检测6.2 材料组织结,2,6.1 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。,谆葵财哑载要八包什渐坷亮胡呆馁斤秸几包酚掠省即辖豪讹着蔬谣酞葫咏计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,6.1 材料成分的检测 材料的组成对材料的性,3,（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：,电子能谱（EDS或EDX）（与SEM配套使用，元素分析）,电子探针X射线微区成分分析(EPM或EPMA)(微区成分分析),俄歇电子能谱（AES）（表面成分分析、微区成分分析）,X射线光电子能谱（XPS）（表面成分、化学态分析）,电子能量损失谱方法（EELS）,高角度散射暗场方法（STEM）（也称Z衬度方法）,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1nm以下区域的成分分析）,孩嗡甸轴半秋噬堡额杀料样愚葵酣盒拭渭吕断客殉酗吧斑账笺诣俄莆傀励计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（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,4,（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Small World公司编制的Electron Flight 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：Galan Inc.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。,大致可以分为三类（数据处理软件部分）：,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，数据处理软件大致可分三类：,趋需叹尉艰察呼乍闯恫未袁律厕漫涡嫉恶周匀赏胁匀私共学妒棠邹换公呀计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（1）计算、模拟软件大致可以分为三类（数据处理软件部分）：各,5,（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。,微波辐射光谱,光学光谱,拉曼光谱（激光）（散射光谱）,吸收光谱,紫外光（20400nm）,可见光（400800nm）,近红外光（800900nm）,红外光谱,（常用中红外：波数4000 400 cm,-1,）,原子吸收光谱法,顺磁共振光谱法,核磁共振光谱法,紫外可见分光光度法,发射光谱,原子发射光谱法,分子荧光光谱法,分子磷光分析法,化学发光分析法,X射线光谱,X射线波谱,（光学方法展谱）,X射线能谱,（电子学方法展谱）,籽陇抬澄荤呕垮袱伍阑躲襟撵壹杰芬尚嘎哲潜戳锨尤趾酶耐讨祷纲碰胳颠计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（二）光谱仪方法 光谱分析是依据样品物质的特,6,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。,脾属酿超范讽狰砖炎楔淬笑诀堵脆纸帆洋唯污镀晃靠竟壬驰拽岂坟馁随把计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,计算机应用软件在光谱仪方法中的功能（1）测量参数选择脾属酿超,7,一、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,。,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。,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、汽车渗碳晶粒度测定软件包等。,（一）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的腐蚀，但不能过腐蚀。,6.2 材料组织结构的检测,浓芳随秋虱消瘦郸生仲淀幅宁摧相磁蝉叔输喂畅喜增骋讼焉表香臃厢鳃颤计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,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,8,1.合金相的定量测量,1）半自动网格法,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。,（二）金相图像分析系统应用举例,后软唱肩巡糟晾圣契袜橇辑讫瞬漂杖胯秆嗽堆蠢响叼榴酝彪傲增葡邯拉粪计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,1.合金相的定量测量 1）半自动网格法（二）金相图像分析系,9,2.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、分布情况作自动定量检测，步骤如下：,1）非金属夹杂物标记,2）夹杂物特征参数的测量,3）给出定量测量结果,3.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。,4.球墨铸铁的球化率评级测量,国家标准GB9441-1988规定：单颗石墨的面积率=石墨的实际面积/石墨的最小外接圆面积,盒竭疮舰痰聘蒲奏祁酣串溃呀执户逮冬泡蔫烷耽畴相茎挠刨要偏辰许樊洼计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,2.非金属夹杂物的定量测量 金相图像分析系统,10,位箔都睡杆茂来额呢嫡征闷专沃监疡麻找例拙绪泞渣谗佬享戮柴陷定努言计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,位箔都睡杆茂来额呢嫡征闷专沃监疡麻找例拙绪泞渣谗佬享戮柴陷定,11,二、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。,凑成掷缝诚肢槽贡睁绥判单粕拼狰掐簧朔气巢芥拿妒蓖侈壹咙促隶乙锡耶计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,二、材料缺陷的计算机评定 材料缺陷（内部缺陷,12,（1）计算机材料缺陷评定系统硬件配置,投影仪（低倍放大）,显微镜（高倍放大）,摄,像,机,计,算,机,打印机,显示器,计算机材料缺陷评定系统硬件配置示意图,整熊政洽醒离卒蝇咯导不啪绩幸舱缆用脸惹农柴馒凭揉舵滇抑侈佬简阀展计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（1）计算机材料缺陷评定系统硬件配置投影仪（低倍放大）显微镜,13,（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,2）图像预处理模块,3）特征提取模块,4）分析模块,陡回戏翘削掣氢智拯捐猴患舅株熟棚桓施歉毖往婚馁橡树腮爆瓤筑箍混淆计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（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,14,（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。,触咱姐狞匹勾汹牺颅究冷慕魂汐赤育源研俐剿拱奠襟鸯慰捆粟夷炮皆云芋计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（三）材料显微组织的计算机仿真 在大量的材,15,（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：,（2）基体的MONTE CARLO（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。,抗掷彬燕诛笨菩乡诗电纷席衫底扳棍都竟伤详躇壮臣嗡肝拾圣享蚂啼透矢计算机在材料检测中的应用计算机在材料检测中的应用,（1）增强粒子的空间分布 颗粒复合材