张晓昱，欧阳杰
（河北省电力研究院，河北石家庄050021） 针对当前定量金相分析研究及应用中存在的问题，结合电力系统新材料的应用日益增多，金相组织类型趋于复杂化，不同组织老化程度鉴定也很难通过单一因素来确定，由此介绍了基于专家库的定量金相分析系统及该系统中图像处理、晶粒特征参数的选择和测量方法。
关键词：定量金相；专家库；系统分析；火力发电系统
近几年来，随着大量火力发电机组的投入运行，基于定量金相分析的寿命评估和材料性能分析越来越多，为精确地了解组织和性能之间的关系，必须应用某些可以测量或计算的参数来确切地表征不同材料的组织特点，定量金相分析工作的开展势在必行。
目前，国内一些科研教学单位和一些企事业单位相继开发出了金相计算机辅助检测系统和分析系统，但是由于适应面较窄、价格昂贵、人机交互性差等原因而难以推广。对于火力发电系统，近几年来新材料的应用日益增多，金相组织类型趋于复杂化，不同组织老化程度的鉴定很难通过单一因素来确定。本文从实际需要出发，设计了一个实用性强的金相分析专家系统，不仅可完成常规金相分析，而且可通过与经验数据库进行对比，为以组织老化和寿命损耗理论为基础的寿命评估提供科学依据，使金相检验能够更加准确快捷地为生产和科研服务。
1 硬件系统
本系统选用奔腾Ⅳ处理器，配以图像采集卡作为系统开发和运行的支持硬件，在显微镜的CCD接口上安装CCD摄像头，当磨制好的金相试样放在载物台上后，目镜一端的光信号经CCD采样并转换为电信号，再经量化为数字信号后成为计算机能够处理的数字图像。系统的定量检测流程见图1。2 系统总体设计
2.1 系统功能
本系统首先对图像进行采集，当用户给出金属材质、热处理状态、常用组织等信息后，系统自动对金相参数进行计算，得出能够说明组织形态和尺寸特征的参数。对于晶粒及其在运行过程中的析出相，选择其平均直径、平均面积、晶界平均长度和晶粒度等级等参数进行计算，这些参数在材料特性分析中占有重要地位；对于多相合金，可根据其中各相相对量进行测定，进而对材料成分做出计算和对材料性能给出评估；对于夹杂物，选择其等效圆直径、面积百分数、形状参数及分布状态等进行测定。
2.2 系统结构
2.2.1总体设计
定量金相分析系统的功能结构如图1所示，它由图像采集、定量计算、检索查询、打印输出4个模块组成，其中定量分析模块为本系统的核心。各功能模块形式上彼此独立，但从金相分析的完整过程来看，各模块之间又相互联系，即后一模块的设计是在前一模块设计基础上实现的，具体关系如图2所示。2.2.2专家库
目前电力系统金相分析不仅用于组织鉴别，还要为设备的安全运行提供重要依据。2002年底某电厂＃4机组大修，根据金相分析结果，对其中一部分受热面管建议加做力学性能试验，一部分管以金相组织老化程度为依据直接建议更换，该试验结果的确定很大程度上得益于技术人员平时经验的积累，在相对较短的时间内完成了受热面管的检验和更换，受热面管更换率达到了30％。因此，根据实际生产需要，本系统所设专家库主要包括标准图谱库和专家经验库2部分，专家经验库在本系统的使用过程中主要为用户提供一种金相组织状态与其寿命损耗、力学性能等状态之间的关系，这种关系的表达主要通过经验丰富的技术人员长期的工作总结得出，同时又可不断地修正和发展。专家库的建立极大地拓宽了金相定量分析应用范围，而不再仅对金相组织进行定量计算。
3 定量金相算法及其实现
3.1 图像的处理
金相图像的前处理功能是要最大限度地去除干扰因素，使这些数字图像适用于分析和检测。金相组织的原始图像通过显微镜和CCD摄像头输入到计算机时，由于传输过程中信息的损失、光场的不均匀、由转换器件造成的失真、质量不高的金相试样或金相照片造成数字图像不清晰以及由此产生的噪音等原因，影响了金相组织参数测量的精确度。因此，在测量之前，必须对采集的原始图像进行预处理，以消除噪声、校正失真、提高图像的质量。它包括图像增强（线性增强和直方图均衡等）、图像校正（阴影校正和视场均衡）、图像滤波（平滑、锐化、中值及方向滤波等）、二值化等功能［1］。
3.2 晶粒特征参数的选择和测量
该定量分析系统专家库的核心部分是定量计算的实现。根据著名的德莱赛（Delesse）定律［2］，待测相所占体积百分数等于在观察试样中所占的面积，等于观察线段中所截线段的百分比，也等于在观测的总点数中所占的点数百分比，即
其中PP、LI、AB、ø(B)分别表示待测相所占的点、线、面、体积百分比。
本系统基于二维平面来完成金相特征参数的测量，下面以晶粒面积和晶粒度为例介绍计算过程。
实践中，晶粒的截面形状并不成特定的多边形。相关资料中对晶粒数的统计方法有截线法、圆圈法等，上述方法都在理论上成立，在实际应用中必须多次测量并求出平均值才具有较准确的结果，应用效果不很理想。本文采用记点法进行测量，根据拓扑学原理，3个晶界汇交于一点，定义为晶界节点，金属平均晶粒度测定法，进一步推理可求出单位面积内晶粒个数：
式中PA——单位面积内晶粒交汇点的个数进而可推出晶粒平均面积：
A=1/NA (3)
根据GB6394-2002《金属平均晶粒度测定法》，可得出晶粒度的等级如式（4）所示：
采用面分析法进行计算时，晶界的节点数计算的精确度直接影响到分析结果的准确性，因此对图像的要求很高，结点附近的晶界必须是连续的，否则在图像前期处理时，对不连续晶界进行修补。
本系统计算程序选取测量窗口底线为起始线，每隔10个像素点作为1个扫描区域，其工作过程如图3所示。首先在扫描区域内寻找到晶界上的某一点，然后以该点为中心开设像素为10×10的子窗口，判断该范围内是否有3条晶界，如果满足条件则CM(22逐步缩小范围继续判断。如一直满足条件，则该点即为节点，此后继续判断，直至找出该扫描区域内的所有晶界节点，然后继续下一区域，直至测量完成。4 结束语
该文提出了一个基于专家库的定量金相分析系统，并重新设计了定量计算程序，不仅极大地提高了金相分析的速度和精度，而且通过建立专家库，可直接用于材料金相与性能关系的研究，延伸了金相定量分析的应用范围，是目前材料科学中金相检测发展的必然方向。
参考文献［1］阮秋琦.数字图像处理技术［M］.北京：中国铁道出版社，1988.
［2］［美］彼里西阿GB，浦迪SM.体视学和金相学［M］.北京：机械工业出版社，1980.
［3］上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术［M］.北京：机械工业出版社，1990.
［4］［美］罗杰斯DF著.粱友栋,石教英,彭群生译.计算机图形学的算法基础［M］.北京:科学出版社，1987.
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