用于精確測量金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的金相方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于精確測量金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的金相方法。一種金相定量方法以測量鑄鋁部件中的孔隙尺寸和分布。使用圖像分析器首先獲得鑄造部件樣品中感興趣位置的圖像?？臻g準(zhǔn)則，例如二次枝晶臂間距的測量，可與接收的圖像一起使用以提供孔隙簇的證明。這允許該系統(tǒng)進行計算以確定是否多個孔隙可被分簇或被分組在一起作為在三維空間內(nèi)的單個孔隙。如此，這些簇或組中的每一個的孔隙的總面積被計算并被用作代表該簇的孔隙面積。通常，通過本發(fā)明實現(xiàn)的鑄造部件內(nèi)的孔隙尺寸和孔隙分布的測量顯示出了孔隙尺寸和間距的精確預(yù)測，尤其顯示了減少實際孔隙尺寸和分布預(yù)測不準(zhǔn)的傾向。
【專利說明】用于精確測量金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的金相方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明要求2012年6月19日申請的、申請?zhí)枮?1 / 661，502的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明主要涉及金屬鑄件中孔隙分布的量化，特別涉及一種改進的定量金相方法以精確地測量鑄造部件中的孔隙和其分布。
【背景技術(shù)】
[0004]孔隙早已經(jīng)被認(rèn)為是影響鑄造部件的力學(xué)性能的最重要的有害因子?？紫对酱螅W(xué)性能越低，其中抗疲勞性能被認(rèn)為特別敏感?？紫段恢靡彩怯袉栴}的，因為對于相同的孔隙尺寸，當(dāng)孔隙位于更靠近應(yīng)力自由表面時疲勞壽命更低。鋁和鋁合金鑄件-它們在汽車部件中是很有用的，例如發(fā)動機缸體及相關(guān)的結(jié)構(gòu)-尤其易于受到孔隙危害。
[0005]實際中，通常在金屬拋光面上對孔隙進行金相測量，其中經(jīng)常在掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)進行這種平面試樣的斷裂表面的斷面顯微檢測。一種形式，測量的數(shù)據(jù)對于日常鑄造操作中的質(zhì)量控制是有用的，對于疲勞和其它力學(xué)性能的預(yù)測也是有用的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)拋光面測量的孔隙尺寸和三維空間(3D)內(nèi)斷裂表面內(nèi)的實際尺寸之間存在明顯的差別，典型地，在拋光面上測量的孔隙尺寸是兩者中的較小者，經(jīng)常是明顯地小。
[0006]傳統(tǒng)的金相測量和3D中的實際孔隙尺寸之間的差別的一個原因是歸咎于從金相圖像分析(IA)或相關(guān)的計算機視覺系統(tǒng)獲取和分析數(shù)據(jù)的方式。傳統(tǒng)上，在拋光面上測量孔隙尺寸是在場基上進行的，其中實際場尺寸依賴于使用的相機的分辨率和放大率。在很多情形下，單個的孔隙位于幾個區(qū)域的邊界上。結(jié)果，一些孔隙在視圖的多個視野中被部分地測量，這會導(dǎo)致前述的孔隙尺寸的測量不足。傳統(tǒng)的金相測量和3D中的實際孔隙尺寸之間的差別的另一個原因可被解釋為當(dāng)二維平面(2D)的截面通過不規(guī)則形狀的孔隙時測量的不規(guī)則形狀的孔隙；在這種情況下，單個孔被觀察為在截面上的幾個單獨的小孔隙。因此，傳統(tǒng)的金相測量提供精確量化孔隙數(shù)據(jù)的能力被嚴(yán)重地阻礙。相應(yīng)地，采用這些信息并將其作為到數(shù)學(xué)模型(例如斷裂數(shù)學(xué)模型)的輸入的使用作為一種預(yù)測材料疲勞性能的一種方式將可能會導(dǎo)致不準(zhǔn)確，特別是其趨于過高地估計了疲勞強度和鑄件的有效壽命。
[0007]提供量化孔隙數(shù)據(jù)的一種替代方式是通過顯微聚焦的X射線計算的輔助攝影(CT);不幸地是，這種途徑昂貴且耗時，因此不適合于生產(chǎn)導(dǎo)向的情況。另一種替代方式包括孔隙的計算機模擬和預(yù)測；然而，簡化物理和復(fù)雜鑄造工藝中的假設(shè)以能夠計算和減少計算成本會導(dǎo)致相對差的實際孔隙尺寸的近似。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確的孔隙和相關(guān)缺陷的量化理解對改進制造工藝是很重要的，這些制造工藝會引起改善的微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的鑄鐵產(chǎn)品的可靠性。為此，他們已經(jīng)大致開發(fā)了一種新的金相方法來測量鑄鐵部件中的孔隙尺寸，特別的為鑄鋁部件。通過本發(fā)明，它將可以提供鑄造部件中孔隙尺寸和分布更加準(zhǔn)確的測量，不僅用于產(chǎn)品質(zhì)量的控制，還用于產(chǎn)品性能和持久性分析，其隨后被用來改善鑄造工藝操作。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，公開了一種金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的確定方法。該方法包括接收金屬鑄件樣品或試樣中感興趣的位置的圖像(或多個圖像)。一種形式中，該圖像包括構(gòu)成試樣的不同區(qū)域的大的鑲嵌圖。該方法被用于精確測量孔隙的3D尺寸和分布-特別地用于那些使用傳統(tǒng)的2D圖像分析設(shè)備在3D空間中具有不規(guī)則形狀的孔隙。
[0010]本發(fā)明還提供了下面的解決方案:
[0011]1.一種確定金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的方法,所述方法包括:
[0012]接收對應(yīng)于所述金屬鑄件的樣品中的感興趣位置的圖像；
[0013]測量所述圖像內(nèi)的多個孔隙的孔隙度百分比和孔隙尺寸中的至少一個；
[0014]空間限定對應(yīng)于所述圖像內(nèi)的所述多個孔隙中的每一個的相對位置的參考系坐標(biāo)；
[0015]基于所述空間限定的坐標(biāo)計算孔隙間距；以及
[0016]將所述測量的孔隙尺寸和孔隙間距分組成簇，從而為所述樣品內(nèi)的所述孔隙尺寸和所述孔隙分布中的至少一個產(chǎn)生的測量是基于簇-簇基礎(chǔ)的。
[0017]2.如方案I所述的方法，其中所述方法通過其中具有編程的至少一種算法的圖像分析系統(tǒng)執(zhí)行。
[0018]3.如方案2所述的方法，其中所述孔隙間隔包括距離，所述距離對應(yīng)于以下的至少一個:(a)孔隙-到-孔隙、(b)孔隙-到-表面、(C)距離-到-表面、(d)質(zhì)心-到-質(zhì)心。
[0019]4.如方案3所述的方法，其中所述計算包括使用下面的等式:
[0020]A2+B2 = C2 ；
[0021]V (A2+B2) = C
[0022]A = X1-X2
[0023]B = Y1-Y2 ；以及
[0024]V [ ( X r X 2)2+(Y1-Y2)2] = C
[0025]以確定至少一個所述孔隙間距，其中A和B表示三角測量因子，X和Y表示在特定的參考系內(nèi)的相對應(yīng)孔隙的平面坐標(biāo)，C等于質(zhì)心-到-質(zhì)心孔隙間距。
[0026]5.如方案4所述的方法，其中所述參考系坐標(biāo)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)被限定。
[0027]6.如方案2所述的方法，進一步包括與所述至少一種算法結(jié)合地使用鑲嵌孔隙度程序以更準(zhǔn)確地描繪所述樣品內(nèi)的孔隙，其跨越多于一個圖像視野。
[0028]7.如方案I所述的方法，其中當(dāng)它們的孔隙間的間距小于5個二次枝晶臂間距單位的距離時孔隙被確定為分簇在一起。
[0029]8.如方案7所述的方法，其中當(dāng)它們的孔隙間的間距小于2個二次枝晶臂間距單位的距離時孔隙被確定為分簇在一起。
[0030]9.一種用于估計金屬鑄件中的孔隙尺寸和分布的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0031]用于產(chǎn)生所述金屬鑄件的樣品的顯微照片的掃描裝置；
[0032]用于轉(zhuǎn)換所述掃描的顯微照片成為二維圖像的觀察裝置；[0033]用于在所述二維圖像上呈現(xiàn)的多個孔隙的識別裝置；
[0034]用于基于對應(yīng)于所述識別的孔隙的空間限定的坐標(biāo)來計算間距的處理裝置；以及
[0035]用于將所述孔隙間距分組，從而為所述樣品內(nèi)的所述孔隙尺寸和所述孔隙分布中的至少一個產(chǎn)生的測量基于所述簇內(nèi)的孔隙的處理裝置。
[0036]10.如方案9所述的方法，進一步包括提供所述簇中的至少一個的定量測量的輸
出裝置。
[0037]11.如方案9所述的方法，其中所述處理裝置進一步包括使用辨別器，用于將所述識別的孔隙放入到所述簇中的相應(yīng)一個中。
[0038]12.如方案11所述的方法，其中所述辨別器包括二次枝晶臂間距。
[0039]13.如方案12所述的方法，其中所述二次枝晶臂間距被設(shè)置，從而如果所述識別的孔中的兩個單獨的孔小于5個二次枝晶臂間距單位的距離，所述兩個單獨的孔隙被分組到所述簇中的單個的一個內(nèi)。
[0040]14.如方案12所述的方法，其中所述二次枝晶臂間距被設(shè)置，從而如果所述識別的孔中的兩個單獨的孔小于2個二次枝晶臂間距單位的距離，所述兩個單獨的孔隙被分組到所述簇中的單個的一個內(nèi)。
[0041]15.如方案12所述的方法，用于基于對應(yīng)于所述識別的孔隙的空間限定的坐標(biāo)來計算間距的處理裝置進一步包括用于將跨越圖像的多于一個視野的所述樣品內(nèi)的孔隙的成組鑲嵌性能的處理裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]當(dāng)結(jié)合下面的附圖閱讀時，下面的本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明可被更好地理解，其中相同的結(jié)構(gòu)使用相同的附圖標(biāo)記，其中:
[0043]圖1示出了用于低壓消失模鑄造319鋁合金的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)的金相方法在拋光平面上測量的最大孔隙尺寸和實際3D斷面尺寸的比較；
[0044]圖2A示出了 319鋁合金鑄件的剖面；
[0045]圖2B示出了代表圖2A的鑄件的金相圖；
[0046]圖3示出了鋁合金鑄件樣品概念區(qū)域的2乘2鑲嵌的測量數(shù)據(jù)；
[0047]圖4示出了放大50倍的2乘2鑲嵌圖像，對應(yīng)于從圖3中樣品的26個識別的測量目標(biāo)中取出的測量數(shù)據(jù)；
[0048]圖5示出了為圖3和圖4中的數(shù)據(jù)計算的孔隙間距；
[0049]圖6A(附加的)示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的分組成簇孔隙的標(biāo)準(zhǔn)；
[0050]圖6B示出了使用傳統(tǒng)的(即現(xiàn)有技術(shù))測量和分析技術(shù)的描繪了四個單獨視野的鑲嵌圖像；
[0051]圖6C示出了根據(jù)本發(fā)明一方面的與具有識別的單獨孔隙的圖6B相同的四個視野的鑲嵌圖像；
[0052]圖6D示出了從圖6C示出的圖像中識別的四個孔隙簇的鑲嵌圖像；及
[0053]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一方面的計算化的IA，其可被用于測量和量化孔隙尺寸和分布。【具體實施方式】
[0054]由于其趨于展現(xiàn)好的鑄造性能、壓力氣密性和焊接性，并結(jié)合有合理的強度和相對較高的耐雜質(zhì)性，319鋁合金已是在制造許多汽車部件時制造永久鑄件和砂型鑄造的常用的選擇。盡管隨后的討論很多是基于本發(fā)明人實施在319鋁合金上的分析，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知將本發(fā)明的方法應(yīng)用到其它鋁合金中被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0055]還要求保護二次枝晶臂間距(SDAS)和其在根據(jù)本發(fā)明的測量中的應(yīng)用。通常，SDAS是測量鑄鋁合金微觀結(jié)構(gòu)的清晰度，其又會依賴于鑄件使用的冷卻速率。而且，SDAS值尤其可以提供孔隙分簇的標(biāo)記，其在以更高的精度確定尺寸和分布中是有用的。在本發(fā)明的上下文內(nèi)，當(dāng)孔隙間的間距小于5個SDAS(或更優(yōu)選地小于2個SDAS)明顯時，孔隙被認(rèn)為是成簇一起；在這種情形下，在3D空間內(nèi)孔隙被認(rèn)為屬于一個單個孔。由此，這些組群或簇中的每組的孔的總區(qū)域被認(rèn)為是該簇中的孔區(qū)域。另外，這些組的每組中的孔的外邊緣之間的最大距離被認(rèn)為是簇的最大的費雷特(Feret)直徑(也就是，沿著特定的孔隙尺寸的測量，典型作為兩個平行平面之間的距離，其限定孔隙目標(biāo)垂直于該方向)，其在分析孔的3D投影至2D平面時是有用的。同樣地，從孔隙中的一個孔或孔簇的外邊緣到另一個孔或簇的外邊緣的最小距離的絕對值被認(rèn)為是孔間距，而孔或簇的外邊緣到鑄件自由表面的最小距離的絕對值被認(rèn)為是到樣品的表面的距離。下面將提供有關(guān)孔簇的更多細(xì)節(jié)。
[0056]首先參照圖1、2A和2B，在傳統(tǒng)的319鋁合金金相試樣的斷面上觀察到的孔隙尺寸和分布經(jīng)常明顯地不同于那些它們在2D金相組織中的測量的等同物。特別地，不考慮合金和鑄造工藝，孔隙的實際尺寸經(jīng)常是在金相平面上觀察到的孔隙尺寸的2至5倍大。而且，位于疲勞裂紋發(fā)源位置的孔隙甚至大于(2至3倍)斷面其它區(qū)域觀察到的孔隙，揭示最大的孔隙可能在疲勞裂紋產(chǎn)生的地方。因為這樣，擔(dān)心的是材料中被認(rèn)為是啟動裂紋的孔隙度和其它的不連續(xù)性被測量不足時會明顯地妨礙隨后的疲勞預(yù)測的準(zhǔn)確性。特別地根據(jù)圖2B和如上所述，從不規(guī)則形狀孔(特別地示出了收縮孔SP)的隨機的金相平面MP獲取的2D平面部分傾向于在截面上被示為幾個單獨小空隙P2D。這種傾向(如示出的圖2B的下部)_也可以在圖2A中的實際的319合金的剖面圖像中看到-已經(jīng)在文章中討論過，其一個舉例為 James Μ.Boileau, The Effect of Solidification Time on theMechanical Properties of a Cast 319 Aluminum Alloy,博士學(xué)位論文，Wayne StateUniversity (2000)。在本發(fā)明中，孔隙尺寸可涉及特定的長度、周長或面積；一個或其它的選擇從下文中將更加明顯。
[0057]接下來參照圖3和圖4，示出并描繪了根據(jù)本發(fā)明一方面的對應(yīng)于定量測量方法的數(shù)據(jù)和圖像。在一個步驟中，孔隙度的體積百分含量和孔隙尺寸在鑄件的樣品或試樣上測量。為了確定孔隙度體積百分比和孔隙尺寸，通過傳統(tǒng)的IA方式獲取微觀圖像的鑲嵌圖像，其中鑲嵌圖像從樣品的拋光面上獲得，樣品被從鑄件內(nèi)感興趣的位置處切割。在一個優(yōu)選的形式中，基于孔隙和圍繞在孔隙周圍的材料之間的灰度水平的比較，通過光學(xué)顯微鏡或相關(guān)機型裝置，孔被自動地識別。然后IA將接受這些被識別的孔并自動地測量它們。在圖3中可以看到這種用于識別孔隙的集合數(shù)據(jù)的概念性表格，其中從左往右分別識別孔隙數(shù)量、孔隙面積、孔隙長度、孔隙球度、X-cent、Y-cent、孔隙周長、視野數(shù)量、Objld和Cat。在表中，球度是測量孔隙的球形如何；從而，對于完美的孔隙，球度是I。X-cent是物體質(zhì)心點的X坐標(biāo)，而Y-cent是相關(guān)的Y坐標(biāo)。視野數(shù)量是在IA中觀察到視野的ID,而Objld是對應(yīng)于每個單獨測量的孔隙的標(biāo)識符。如特別參照圖4所示，從掃描圖像中識別了 26個單獨的孔隙。
[0058]如上所述，在一個優(yōu)選的形式中，用于提供鑄件孔隙度定量測量的程序和分析被設(shè)置為在數(shù)字計算機或相關(guān)的電子設(shè)備上執(zhí)行，其中像IA系統(tǒng)的計算機化視覺系統(tǒng)可以是其一部分或以其他方式與其配合使用。下面參照圖7，計算機化視覺系統(tǒng)I被設(shè)置為執(zhí)行量化孔隙尺寸和分布所需的數(shù)據(jù)集合、分析和操作。除了 IA外，系統(tǒng)I也可涉及通過變型，如圖像分析器系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)、圖像分析器或類似物。當(dāng)系統(tǒng)I是以下面討論的方式(及其合適的變型)的基于計算機的情形時，其涉及具有馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)。類似地，使用馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的主要特征以執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取、處理或相關(guān)計算功能中的至少一些的特別適合的計算機或計算機相關(guān)數(shù)據(jù)的處理裝置，被認(rèn)為是與本發(fā)明的方法兼容的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知曉，體現(xiàn)上述討論的計算的有關(guān)測量和計算的計算機可執(zhí)行指令可用于實現(xiàn)本發(fā)明中提出的目標(biāo)。
[0059]系統(tǒng)I包括計算機10或相關(guān)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，數(shù)據(jù)處理設(shè)備包括處理單元11 (其可以一個或多個微處理器或相應(yīng)的處理裝置的形式)、一個或多個用于信息輸入的機構(gòu)
12(包括鍵盤、鼠標(biāo)或其它裝置，如語音識別接收器(沒有示出))、及一個或多個加載器
13(其可以磁性或光學(xué)存儲的形式或相關(guān)的存儲，其為CD、DVD、USB或類似物)、一個或多個顯示器屏幕或相關(guān)的信息輸出裝置14、存儲器15和計算機可讀程序代碼裝置(沒有示出)以處理至少一部分接收的有關(guān)鋁合金的信息。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的，存儲器15可以為隨機存取存儲器(RAM，也稱為大容量存儲器，其可被用于臨時存儲數(shù)據(jù))和只讀存儲器(ROM)形式的指令存儲器的形式。除了其它沒有示出的輸入形式(例如通過因特網(wǎng)或相關(guān)的連接到外部的數(shù)據(jù)源)，加載器13可為用于從一個計算機可用介質(zhì)(如閃存驅(qū)動器或前述的CD、DVD或相關(guān)的介質(zhì))中加載數(shù)據(jù)或程序指令到另一介質(zhì)(例如存儲器15)的一種方式。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所認(rèn)識的，計算機10可以存在為自主單元(即單機)，或者可以是例如進行云計算的更大的網(wǎng)絡(luò)中的一部分，其中各種計算、軟件、數(shù)據(jù)訪問和存儲裝置可貯存于分立的物理位置。這種計算源的分離沒有有損于作為計算機分類的這種系統(tǒng)。
[0060]在一個特別的形式中，包含上述算法和公式的計算機可讀程序代碼可被存儲到存儲器15的一部分的ROM中。這種計算機可讀程序代碼還可被形成為制造部件的一部分，從而包含在代碼中的指令位于磁性可讀或光學(xué)可讀盤上或其它相關(guān)的非暫時性的、機器可讀介質(zhì)，如閃存存儲器裝置、CD、DVD、EEPR0M、軟盤或其它能夠存儲機器可執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的這種介質(zhì)。這種介質(zhì)能夠被計算機10或其它的具有用于解釋來自于計算機可讀程序代碼的指令的處理單元11的電子設(shè)備讀取。處理器11和被設(shè)置為通過處理器11執(zhí)行的任何程序代碼一起定義了一種方式，以執(zhí)行此處討論的一個或多個孔隙尺寸和分布的計算。如計算機領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的，形成圖像分析系統(tǒng)I的一部分的計算機10另外可包括額外的芯片組，及在處理單元11和其它的裝置(如前述的輸入、輸出和存儲裝置)之間傳輸數(shù)據(jù)和相關(guān)的信息的總線和相關(guān)的布線。通過使得程序代碼裝置加載到ROM中，系統(tǒng)I的計算機10變?yōu)樘囟康臋C器，機器被設(shè)置為以此處描述的方式確定最優(yōu)的鑄造部件。在另一方面，系統(tǒng)I可以僅僅是指令代碼(包括不同的程序模塊(沒有示出))的代碼，而在另一方面，系統(tǒng)I可包括如上所述的指令代碼和計算機可讀介質(zhì)。
[0061]本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可知曉，除了在輸入12中描繪的人工輸入方式之外還有其它的方式接收數(shù)據(jù)和相關(guān)的信息(特別在大量的數(shù)據(jù)被輸入的情形下)，以及任何用于提供這種數(shù)據(jù)以允許處理單元11在其上運行的任何常規(guī)的方式在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如此，輸入裝置12也可以高通量數(shù)據(jù)線的形式(包括上述的因特網(wǎng)連接)以接收大量的代碼、輸入數(shù)據(jù)或其它的信息到存儲器15內(nèi)。信息輸出14被設(shè)置為向用戶(例如，當(dāng)信息輸出14以所示出的屏幕的形式時)傳輸期望的鑄造方法的相關(guān)信息或傳輸至其它的程序或模型。同樣地本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知曉，與輸入12和輸出14相關(guān)聯(lián)的特征可以被組合為單個功能單元，如圖形用戶界面(GUI)。
[0062]IA系統(tǒng)I用于從圖像5中提取信息，特別地，使用金相技術(shù)以獲得感興趣的鑄造樣品或試樣的孔隙性質(zhì)。從制備(例如，拋光)的金相樣品開始，顯微鏡20或相關(guān)的掃描器或視覺獲取裝置被用于放大和在輸出14上顯示通過相機30拍攝的圖像5。典型地，許多圖像5通過使用機動化的階段40和階段格式50捕獲。然后灰度閥值在基于計算機程序或算法60中(以顯示器上的用戶可讀形式)的這些數(shù)字化圖像5上被實施，基于計算機程序或算法60組成可存儲在存儲器15或其它合適的計算機可讀介質(zhì)中的圖像分析軟件。階段控制器70 (其使用操作桿式控制)可被用于通過x、y、z (聚焦)的階段運動的三維(笛卡爾)坐標(biāo)系，移動材料樣品的顯微圖像在顯微鏡20內(nèi)從一個視野到另一個視野。這允許移動穿過階段格式50以允許分析樣品的多個視野。這種自動階段格式50-其包括自動對焦特征-允許在短的時間段內(nèi)捕獲大量的數(shù)據(jù)。當(dāng)通過顯微鏡20的目鏡觀察樣品時階段控制器70的操縱桿允許階段的移動以易于本發(fā)明的分析將被施行的特定區(qū)域的選擇。
[0063]再參照圖3和圖4并結(jié)合圖5，一旦孔隙度體積百分比和孔隙尺寸被測量，孔隙坐標(biāo)必須被限定，其中在參考坐標(biāo)系中例如在笛卡爾坐標(biāo)系中使用的每個孔隙的X和y坐標(biāo)可作為建立這種孔隙坐標(biāo)的合適的方式。以這種方式，對應(yīng)于每個被測量或被檢測的孔隙的坐標(biāo)系可以相對于常規(guī)坐標(biāo)系、網(wǎng)格或其它合適的參考系內(nèi)的其它孔隙被空間地限定。一種形式中，這些測量關(guān)于接收的圖像內(nèi)建立的原點進行。例如，此原點可位于顯微鏡沿著表面的右角處，從而X和I坐標(biāo)相對于該原點描述孔隙特征的位置。通過示例方式，在端冷卻鑄板中，從冷卻表面至拋光表面的距離被測量作為z坐標(biāo)并被稱為離冷卻表面的距離。使用IA系統(tǒng)I獲得的y坐標(biāo)然后被乘以-1以獲得正的y值，y’，z坐標(biāo)僅是顯微照片離鑄板冷卻端的高度，使坐標(biāo)報告為X’、y’和z。這種限定原點對確保鑄件樣品的圖像5中的孔隙的實際位置與特征一致是有用的；一旦原點坐標(biāo)在IA內(nèi)被限定，通過IA系統(tǒng)I測量的樣品/鑄件內(nèi)的孔隙的位置可基于這些值(例如圖3中的表格標(biāo)識的XCent和YCent值)通過機器被自動地確定。
[0064]確定孔隙的坐標(biāo)后，孔隙間距(如通過三角測量)然后被確定。為了確定在特定的2D視圖內(nèi)的分簇的單個孔隙是否屬于實際3D空間內(nèi)的單個孔隙，需要確定孔隙之間的距離(間距)。一旦知道兩個孔隙的X和Y坐標(biāo)，它們之間的距離可使用三角形測量原理計算，其中兩個孔隙之間的距離等于直角的最長邊長度，兩個孔隙被假設(shè)為基于它們的坐標(biāo)位于三角形的兩個頂點處。在本發(fā)明的一種形式中，發(fā)明人已經(jīng)創(chuàng)造了一種能夠被儲存在計算機可讀介質(zhì)的算法；這種算法可被使用以計算不同孔隙的間距，包括(a)孔隙-到-孔隙(b)孔隙-到-表面、(c)距離-到-表面、(d)質(zhì)心-到-質(zhì)心。在該算法中，質(zhì)心被定義為試樣被平衡的點。因而，類似于測量物體的重心的方式，在此位置在針尖處將能夠平衡試樣。報告X和y質(zhì)心坐標(biāo)并且從這些坐標(biāo)計算到最近的質(zhì)心的距離并且到最近質(zhì)心的距離(質(zhì)心-到-質(zhì)心)減去兩個特征(孔隙-到-孔隙)中的相等圓半徑，其中相等圓半徑是與測量的特征具有相同面積的圓的半徑。同樣地，質(zhì)心離鑄件表面的距離減去相等圓半徑(孔隙-到-表面)并且質(zhì)心離鑄件表面的距離(距離-到-表面)也被指示。計算如下執(zhí)行:
[0065]A2+B2 = C2
[0066]V (A2+B2) = C
[0067]A = X1-X2
[0068]B = Y1-Y2
[0069]V [ (X1-X2)2+ (Y1-Y2) 2I = C
[0070]其中C等于質(zhì)心-到-質(zhì)心的孔隙間距，質(zhì)心距離減去孔隙的半徑等于孔隙-到-孔隙的間距。在上面的等式中，A和B代表直角三角形的短邊的長度(即，三角形測量因子)，而C代表最長邊的長度；以這種方式，前兩個等式用于確定這種三角形的長度。從而，計算兩個孔隙之間的間距或距離表示A的長度等于(X1_X2)，B的長度等于(Y1-Y2)，其中X和Y分別是第一和第二孔隙的坐標(biāo)。
[0071]因此，圖4的拋光平面的二十六個數(shù)據(jù)點的圖3中的測量的孔隙度產(chǎn)生(通過上述的算法)圖5的計算孔隙間距，目前以ym基礎(chǔ)的尺寸示出。因而，在圖5中示出的欄中從左到右指示的單元如下:面積、長度(其是六十四個測量的費雷特中最大的)、球度(由4π倍的面積除以周長的平方確定，其中周長是孔隙的邊界或周長的長度)、半徑(即與特征具有相同面積的圓的半徑)和四個孔隙間距(孔隙-到-孔隙、質(zhì)心-到-質(zhì)心、孔隙-到-表面及距離-到-表面)。盡管沒有示出，X’、y’和ζ值對應(yīng)于笛卡爾坐標(biāo)系中在鑄件熱電偶表面具有原點的每個單獨孔隙的坐標(biāo)。
[0072]在圖5的結(jié)果被確定后，`孔隙必須被分組成不同的簇，作為能夠確定孔隙尺寸、孔隙坐標(biāo)和孔隙間距的一種方式。這些簇-其為上面首先介紹的-通過提供構(gòu)成每個相應(yīng)簇的孔隙的總面積，關(guān)于尺寸和孔隙度的分布在進一步量化孔隙時是有用的。舉例來說，第一孔隙將被傳輸至稱為Cl (簇I)的組并標(biāo)記為Cl-1 ;該孔隙然后將與其余的孔隙三角測量，從而該第一孔隙在5個SDAS內(nèi)的任何孔隙被傳輸至組Cl并被相應(yīng)地標(biāo)記(例如C1-2、Cl-3、Cl-4至Cl-Χ)。在組Cl內(nèi)第二孔隙(C1-2)被與其余的孔隙三角測量，在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組Cl并被標(biāo)記C1-(X+1)、Cl-(X+2)、Cl-(X+3)直至C1_Y。組Cl內(nèi)的第三孔隙(C1-3)將與其余的孔隙三角測量，從而在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組Cl并被標(biāo)記C1-(Y+1)。以這種方式繼續(xù)直至組Cl內(nèi)的孔隙取盡。
[0073]圖像中的剩余孔隙的第一孔隙然后將被傳輸至稱為C2(簇2)的組內(nèi)并標(biāo)記為C2-1 ;該孔隙然后將與剩余的孔隙三角測量，并且5個SDAS內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C2
并被標(biāo)記為C2-2、C2-3、C2-4......C2-X。在組C2內(nèi)第二孔隙(C2-2)將與其余的孔隙三
角測量，在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C2并被標(biāo)記C2-(X+1)、C2-(X+2)、C2-(X+3)直至C2-Y。組C2內(nèi)的第三孔隙(C2-3)將與其余的孔隙三角測量，在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C2并被標(biāo)記C2-(Y+1)。如上述的組Cl，這繼續(xù)直至組C2內(nèi)的孔隙取盡。
[0074]此過程將被重復(fù)用于已被分組的剩余孔隙。因而，剩余孔隙中沒有被分組到簇!(Cl)或簇2(C2)的第一孔隙將被傳輸?shù)椒Q為C3(簇3)的組內(nèi)并被標(biāo)記為C3-1 ;該孔隙然后將與其余的孔隙三角測量，并且在該孔隙5個SDAS內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C3并被
標(biāo)記為C3-2、C3-3、C3-4......C3-X。在組C3內(nèi)第二孔隙(C3-2)將與其余的孔隙三角測量，
在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C3并被標(biāo)記C3-(X+1)、C3-(X+2)、C3_(X+3)直至C3-Y。組C3內(nèi)的第三孔隙(C3-3)將與其余的孔隙三角測量，在此孔隙預(yù)定距離內(nèi)的任何孔隙將被傳輸至組C3并被標(biāo)記C3-(Y+1)。如上述的組，以這種方式繼續(xù)直至組C3內(nèi)的孔隙取盡。
[0075]這將繼續(xù)直到主組內(nèi)的孔隙Cl、C2、C3......CX被取盡。應(yīng)當(dāng)注意如果沒有孔隙
在第一孔隙的5個SDAS內(nèi)，該簇將包括一個孔隙。這些組或簇的每一個內(nèi)的孔隙然后將與孔隙間的最大距離彼此三角測量以作為簇的最大費雷特直徑被接受。最小的y軸坐標(biāo)的絕對值將作為到表面的距離(假設(shè)表面為原點)被接受。每個簇內(nèi)的孔隙的總面積將作為簇的孔隙尺寸(面積)被接受。每個簇內(nèi)的y軸坐標(biāo)的平均值將作為該簇的y軸坐標(biāo)被接受。每個簇內(nèi)的X軸坐標(biāo)的平均值將作為該簇的X軸坐標(biāo)被接受。每個簇然后將與其他的簇中的每一個三角測量最小的距離來確定最近的簇。從而，一旦簇已經(jīng)建立，各個簇的最大距離非常接近在實際3D空間內(nèi)觀察到的孔隙尺寸；這些已經(jīng)通過將它們與SEM中的顯微圖像觀察比較得到證明。
[0076]如上所述，上述不同的步驟可以在機器可執(zhí)行程序上被自動地運行以產(chǎn)生被分析的數(shù)據(jù)的輸出文件/文件夾。通過產(chǎn)生這種輸出數(shù)據(jù)，該階段指向獲取正確的X和Y坐標(biāo)，記住Y坐標(biāo)的絕對值是離表面的距離，所以主原點必須要反映出這些。因而，通過限定樣品的原點，樣品內(nèi)的孔隙的相對位置可通過IA在其測量過程中被自動地確定。例如，在測量開始的表面原點的X方向可與尋找位平面測量的鑲嵌孔隙度程序結(jié)合使用。這種程序(其可能形成上述的機器執(zhí)行程序的一部分)用于協(xié)調(diào)位于多個視野中的孔隙。在光學(xué)顯微鏡或相關(guān)的裝置中，其連接到IA(或是其一部分)，每個視野或測量視野(典型地以方形窗口的形式)只能觀察到這么多，由于孔隙可位于多個視野的邊界處，IA將(沒有鑲嵌性能程序)僅測量在單個視野內(nèi)看到的孔隙。對于孔隙部分地位于其他的視圖視野內(nèi)，在單個視圖視野內(nèi)測量的尺寸將必須地比甚至2D內(nèi)的孔隙的尺寸更小(3D內(nèi)也一樣)。鑲嵌孔隙度程序使用的技術(shù)將幾個視圖視野并列并將它們組合成一個單一的視圖視野。這減少了孔隙在多個視圖視野內(nèi)被分裂的機會，從而提高了測量的準(zhǔn)確度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可以知曉，被設(shè)置為執(zhí)行基本上類似的操作的其它程序可使用用于測量的不同的位平面。在一種形式中，程序可在在角部具有一個孔隙的一個視野上被運行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到鑲嵌圖像需要大量的內(nèi)存，因而對應(yīng)于這些圖像的數(shù)據(jù)處理會消耗很大的計算資源。
[0077]下面參照圖6A到圖6D，示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和根據(jù)本發(fā)明的一方面的低壓鑄造319鋁樣品內(nèi)的金相測量孔隙尺寸和孔隙分布的方法的比較。圖6A特別地示出了用于將成簇的孔隙分組的標(biāo)準(zhǔn)，其中簇內(nèi)任何兩個孔隙的相互間距小于5個SDAS，而最大孔隙尺寸被描繪為穿過簇的對角線。圖6B示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)以50倍放大因子的視野的四個2乘2單獨視野的鑲嵌圖，其中測量了 27個孔隙，示出了最大孔隙尺寸大約為490微米(μπι)。27個孔隙尺寸中的每一個分別為 328.70,30.76,76.41,69.54,165.41,36.49,51.37,77.23、60.05,89.50,57.76,106.02,88.19,43.19,58.25,42.38,45.81,318.06,107.82,58.57、142.02,57.10,489.53,31.90,295.81,46.30 和 78.37 μ m。
[0078]特別地參照圖6C，圖6B的相同的四個單獨的視野被示出具有根據(jù)本發(fā)明的一方面被識別的單獨的孔隙的19個孔隙，其中現(xiàn)在最大的孔隙尺寸大約為660μπι。特別地，被識別的19個孔隙的每一個具有的長度分別為662.79,30.76,66.26,75.43、163.94,48.76、71.50,59.23,86.22,102.26,84.10,38.12,37.47,313.48,101.93,58.08,138.25,294.83和35.18 μπι。明顯地，通過使用上述的鑲嵌孔隙度程序，可以獲取用于孔隙尺寸測量的大的鑲嵌圖像，從而避免了當(dāng)孔隙位于多個視野的邊界上時單個孔隙在多個視野內(nèi)被部分地測量的問題。
[0079]特別地參照圖6D，根據(jù)本發(fā)明的一方面孔隙的四個簇被識別。如上所述，代表性簇的孔隙彼此在5個SDAS內(nèi)。假定SDAS為56.1 μ m, 5X因子放大后變?yōu)?80.5 μ m?；诖?，四個識別的簇具有的長度分別為874.65μπι、840.69 μ m,291.23 μ m和142.55 μ m。這些測量比圖6B中傳統(tǒng)分析使用的方法更接近實際孔隙尺寸和分布。對于鑄件的相同位置本發(fā)明人把使用此處公開的技術(shù)測量的尺寸與使用SEM (其提供的非常接近實際3D空間)的近似測量的斷口組織掃描照片比較，發(fā)現(xiàn)非常吻合。例如，圖6D中示出的簇Cl通過斷面組織掃描照片被確定為具有大約850μπι的孔隙尺寸，其非常接近于通過本發(fā)明使用的方法確定的值874.65 μ m。
[0080]應(yīng)當(dāng)注意，使用的術(shù)語像“優(yōu)選地”、“通常地”和“典型地”此處不用于限制要求保護的發(fā)明的范圍或者暗示某些特征對要求保護的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是關(guān)鍵的、必要的或甚至重要的。而是，這些術(shù)語僅用于突出替代或附加的特征在本發(fā)明的特定的實施例中可以被使用或可以不被使用。另外，此處使用術(shù)語“基本上”用于表示對任何定量比較、值、測量或其它的表示不確定的內(nèi)在程度。這樣，其可代表沒有導(dǎo)致討論的主題的基本功能改變的數(shù)量表示可與規(guī)定參考不同的程度。
[0081]通過對本發(fā)明的詳細(xì)描述并參考其具體的實施例，可以明白在沒有脫離所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下，修改或變化是可能的。更特別地，盡管本發(fā)明的一些方面此處被認(rèn)為是優(yōu)選地或特別有利的，但可以預(yù)期本發(fā)明并不必然限定于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
【權(quán)利要求】
1.一種確定金屬鑄件中孔隙尺寸和分布的方法，所述方法包括: 接收對應(yīng)于所述金屬鑄件的樣品中的感興趣位置的圖像； 測量所述圖像內(nèi)的多個孔隙的孔隙度百分比和孔隙尺寸中的至少一個； 空間限定對應(yīng)于所述圖像內(nèi)的所述多個孔隙中的每一個的相對位置的參考系坐標(biāo)； 基于所述空間限定的坐標(biāo)計算孔隙間距；以及 將所述測量的孔隙尺寸和孔隙間距分組成簇，從而為所述樣品內(nèi)的所述孔隙尺寸和所述孔隙分布中的至少一個產(chǎn)生的測量是基于簇-簇基礎(chǔ)的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法通過其中具有編程的至少一種算法的圖像分析系統(tǒng)執(zhí)行。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述孔隙間隔包括距離，所述距離對應(yīng)于以下的至少一個:(a)孔隙-到-孔隙、(b)孔隙-到-表面、(C)距離-到-表面、(d)質(zhì)心-到-質(zhì)心。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述計算包括使用下面的等式:
A2+B2 = C2 ；
V(A2+B2) = C
A = X1-X2
B = Y1-Y2 ；以及
V[( X 1-X2)2+(Y1-Y2)2] =C 以確定至少一個所述孔隙間距，其中A和B表示三角測量因子，X和Y表示在特定的參考系內(nèi)的相對應(yīng)孔隙的平面坐標(biāo)，C等于質(zhì)心-到-質(zhì)心孔隙間距。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述參考系坐標(biāo)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)被限定。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括與所述至少一種算法結(jié)合地使用鑲嵌孔隙度程序以更準(zhǔn)確地描繪所述樣品內(nèi)的孔隙，其跨越多于一個圖像視野。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)它們的孔隙間的間距小于5個二次枝晶臂間距單位的距離時孔隙被確定為分簇在一起。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中當(dāng)它們的孔隙間的間距小于2個二次枝晶臂間距單位的距離時孔隙被確定為分簇在一起。
9.一種用于估計金屬鑄件中的孔隙尺寸和分布的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 用于產(chǎn)生所述金屬鑄件的樣品的顯微照片的掃描裝置； 用于轉(zhuǎn)換所述掃描的顯微照片成為二維圖像的觀察裝置； 用于在所述二維圖像上呈現(xiàn)的多個孔隙的識別裝置； 用于基于對應(yīng)于所述識別的孔隙的空間限定的坐標(biāo)來計算間距的處理裝置；以及用于將所述孔隙間距分組，從而為所述樣品內(nèi)的所述孔隙尺寸和所述孔隙分布中的至少一個產(chǎn)生的測量基于所述簇內(nèi)的孔隙的處理裝置。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括提供所述簇中的至少一個的定量測量的輸出裝置。
【文檔編號】G01B11/00GK103512836SQ201310414721
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】J·W·奈特, Q·王 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司