利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方法，1、利用熱酸洗方法對(duì)碳鋼的鑄坯表面進(jìn)行處理，熱酸洗中酸液容積比為1：(1—2)工業(yè)鹽酸水溶液，酸蝕溫度為50—80℃，酸蝕時(shí)間為10—30min；2、對(duì)處理后的試樣進(jìn)行打磨以獲得組織偏析界面清晰的低倍組織圖像；再利用數(shù)碼相機(jī)/顯微鏡獲取高清鑄坯低倍組織的圖像；3、將鑄坯低倍組織圖像處理成灰度圖像，讀取其中某一位置低倍組織灰度圖像的灰度值；然后，通過公式計(jì)算得到到該位置的碳元素含量；重復(fù)讀取灰度值，計(jì)算得到相應(yīng)位置的碳元素含量，并繪制成圖，得到碳元素含量分布圖；本發(fā)明可與凝固組織圖對(duì)應(yīng)、分析范圍靈活、破壞性低且宜實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
【專利說明】
利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及冶金工程及凝固技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度 圖獲取偏析碳元素含量分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳元素在碳鋼中是重要的合金元素，但由于碳元素液固間分配系數(shù)小且碳含量較 高，在凝固過程中經(jīng)溶質(zhì)再分配后容易造成碳元素偏析。同時(shí)，碳元素偏析是鑄坯常見的內(nèi) 部缺陷，其對(duì)鑄坯性能的影響很大，尤其對(duì)于一些特殊的高碳鋼而言危害更為明顯。因此， 實(shí)際生產(chǎn)與技術(shù)研究中需要利用各種技術(shù)手段對(duì)鑄坯碳元素含量的分布進(jìn)行分析來檢驗(yàn) 鑄坯內(nèi)部質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，同時(shí)也為進(jìn)一步改進(jìn)工藝控制鑄坯內(nèi)部質(zhì)量提供參考。目前，測(cè)量 鑄還的碳元素分布主要利用金屬原位分析儀、化學(xué)分析、ΕΡΜΑ (Electro-Probe Microanalyzer)等方法。這些方法在實(shí)踐中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。但是這些方法或多或少 也存在一些不足，例如金屬原位分析儀測(cè)量前必須對(duì)樣品進(jìn)行一定的預(yù)處理，同時(shí)鑄坯低 倍組織的獲取須經(jīng)過熱酸洗，使得其測(cè)量結(jié)果不能與低倍組織很好的對(duì)應(yīng)，同時(shí)單次最大 分析面積只有約70cm 2;化學(xué)分析前須先通過鉆肩取樣，屬于破壞性分析方法，同時(shí)由于鉆 頭尺寸的限制往往會(huì)無法區(qū)分來自枝晶與偏析位置的鋼肩，其結(jié)果往往只是平均值，而不 是特定坐標(biāo)的元素含量;而ΕΡΜΑ等電子顯微方法分析尺度太小，難以分析宏觀鑄坯不同位 置的質(zhì)量情況。但是，隨著對(duì)高端鋼鐵材料要求的不斷提高，實(shí)際生產(chǎn)與技術(shù)研究中，亟需 一種能夠?qū)μ间撹T坯碳元素偏析狀況展開精細(xì)且整體的檢測(cè)方法，同時(shí)由于凝固過程中凝 固組織與偏析相伴而生，則對(duì)凝固組織的控制是實(shí)現(xiàn)對(duì)偏析等缺陷控制的基礎(chǔ)，因此，這種 方法還需要能夠?qū)崿F(xiàn)偏析元素含量變化與凝固組織形貌相對(duì)應(yīng)。在以上背景下，利用碳鋼 鑄坯低倍組織灰度圖獲取偏析碳元素含量分布的方法就具有可與凝固組織對(duì)應(yīng)、分析范圍 靈活、破壞性低且宜實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有方法獲取碳鋼鑄坯碳元素分布方法的局限性，本發(fā)明瞄準(zhǔn)于可與凝固組 織對(duì)應(yīng)、分析范圍靈活、破壞性低且宜實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)。本發(fā)明利用熱酸洗處理中碳元素含 量越高的位置腐蝕程度越深，對(duì)應(yīng)低倍組織的灰度圖像也表現(xiàn)得越黑的的規(guī)律，其目的在 于提供利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案:一種利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0005] (1)利用熱酸洗方法對(duì)碳鋼的鑄坯表面進(jìn)行處理，熱酸洗中酸液容積比為1: (1一 2)工業(yè)鹽酸水溶液，酸蝕溫度為50-80 °C，酸蝕時(shí)間為10-30min;
[0006] (2)對(duì)熱酸洗腐蝕處理后的試樣進(jìn)行打磨以獲得組織偏析界面清晰的低倍組織圖 像;再利用數(shù)碼相機(jī)/顯微鏡獲取高清鑄坯低倍組織的圖像；
[0007] (3)將鑄坯低倍組織圖像處理成灰度圖像，讀取其中某一位置低倍組織灰度圖像 的灰度值;然后，通過下面公式計(jì)算得到到該位置的碳元素含量;重復(fù)讀取灰度圖像內(nèi)不同 位置低倍組織灰度圖像的灰度值，通過該公式計(jì)算得到相應(yīng)位置的碳元素含量，并繪制成 圖，得到碳元素含量分布圖；
[0009]式中：Ci 一鑄坯相應(yīng)位置的碳元素含量；
[0010] gl-鑄坯相應(yīng)位置低倍組織圖像的灰度值；
[0011] C 一鑄坯碳元素含量的平均值；
[0012] i-鑄坯低倍組織灰度圖中灰度值的平均值；
[0013] 255-灰度值的理論最高值。
[0014] 碳鋼凝固過程中偏析碳元素的再分配會(huì)使得鑄坯碳元素分布不均(微觀偏析、宏 觀偏析），則不同位置碳元素含量的不同導(dǎo)致其在熱酸洗處理中反應(yīng)的吉布斯自由能不同。 碳元素含量越高的位置，活性越大，反應(yīng)越劇烈，最后腐蝕的程度與深度均越大，根據(jù)光學(xué) 原理將其轉(zhuǎn)換為灰度圖后更能明顯區(qū)分，即碳元素含量越大，灰度越大(灰度值越?。Ｓ捎?對(duì)鑄坯凝固組織形貌的觀察分析也是利用熱酸洗這一原理使鑄坯表面顯示出凝固組織與 偏析的界面，因此就可以利用灰度圖得到可以凝固組織圖對(duì)應(yīng)的碳元素含量分布圖，這也 就為利用凝固組織的結(jié)構(gòu)骨架功能來精細(xì)化控制偏析缺陷提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。同時(shí)，雖然 該方法得到為凝固組織枝晶尺度的碳元素分布(微米級(jí)至毫米級(jí)），但由于該方法是基于熱 酸洗實(shí)驗(yàn)與對(duì)灰度圖的分析，因此分析范圍可根據(jù)試樣的大小增加或減小。綜合以上，相比 現(xiàn)有方法，本發(fā)明具有如下有益結(jié)果:可與凝固組織圖對(duì)應(yīng)、分析范圍靈活、破壞性低且宜 實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015] 圖1碳鋼試樣的低倍組織形貌圖（l〇mmX l〇mm);
[0016] 圖2碳鋼試樣的低倍組織灰度圖（lOmmX 10mm);
[0017] 圖3利用低倍組織灰度圖所得到的碳元素分布曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 實(shí)施例：
[0019] (1)首先，利用常規(guī)熱酸洗方法對(duì)碳鋼(本發(fā)明選取的碳含量為0.38 %的碳鋼）的 鑄坯表面進(jìn)行處理，熱酸洗中酸液容積比為1: (1一2)工業(yè)鹽酸水溶液，酸蝕溫度為50-80 。(：，酸蝕時(shí)間為10-30min;酸蝕溫度可以選取的具體點(diǎn)為50°C、55°C、60°C、65°C、70°C、75 °C、80°C等，酸蝕時(shí)間根據(jù)碳鋼的碳含量、酸蝕溫度等選取，可以選取的具體點(diǎn)為lOmin、 12111；[11、15111；[11、18111；[11、20111；[11、22111；[11、25111；[11、26111；[11、28111；[11、30111；[11等，都能滿足本發(fā)明的需要。
[0020] (2)然后，對(duì)熱酸洗腐蝕處理(轉(zhuǎn)換）后的試樣進(jìn)行打磨以獲得組織偏析界面清晰 的低倍組織圖像;最后，利用數(shù)碼相機(jī)/顯微鏡獲取高清鑄坯低倍組織的圖像;圖1所示即為 高清鑄坯低倍組織的圖像。
[0021] (3)將鑄坯低倍組織圖像處理成灰度圖像（圖2所示），且讀取其中某一位置低倍組 織灰度圖像的灰度值;然后，通過下面公式得到到該位置的碳元素含量(如圖2中的點(diǎn)畫線 所示）；重復(fù)讀取灰度圖像砂鍋內(nèi)不同位置低倍組織灰度圖像的灰度值，通過該公式得到到 其它位置的碳元素含量，并繪制成圖。圖2中的碳元素含量分布圖也可表示為如圖3中的曲 線。同理，就可以獲得不同鑄坯試樣不同位置的碳元素分布圖。
[0022]將鑄坯低倍組織圖像處理成灰度圖像，采用現(xiàn)有技術(shù)的圖像處理軟件，如Image-Pro Plus與Matlab等，都能實(shí)現(xiàn)，在此不作進(jìn)一步說明。
[0024]式中：匕一鑄坯相應(yīng)位置的碳元素含量，；
[0025] gi-鑄坯相應(yīng)位置低倍組織圖像的灰度值，；
[0026] 己一鑄坯碳元素含量的平均值，；
[0027] i-鑄坯低倍組織灰度圖中灰度值的平均值，；
[0028] 255-灰度值的理論最高值。
[0029]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用碳鋼鑄坯低倍組織灰度圖獲取碳元素含量分布的方法，其特征在于，包括 以下步驟： (1) 利用熱酸洗方法對(duì)碳鋼的鑄坯表面進(jìn)行處理，熱酸洗中酸液容積比為1:(1一2)工 業(yè)鹽酸水溶液，酸蝕溫度為50-80 °C，酸蝕時(shí)間為10-30min; (2) 對(duì)熱酸洗腐蝕處理后的試樣進(jìn)行打磨以獲得組織偏析界面清晰的低倍組織圖像； 再利用數(shù)碼相機(jī)/顯微鏡獲取高清鑄坯低倍組織的圖像； (3) 將鑄坯低倍組織圖像處理成灰度圖像，讀取其中某一位置低倍組織灰度圖像的灰 度值;然后，通過公式（1)計(jì)算得到到該位置的碳元素含量;重復(fù)讀取灰度圖像內(nèi)不同位置 低倍組織灰度圖像的灰度值，通過公式（1)計(jì)算得到相應(yīng)位置的碳元素含量，并繪制成圖， 得到碳元素含量分布圖；式中：Ci 一鑄還相應(yīng)位置的碳兀素含量； gl-鑄坯相應(yīng)位置低倍組織圖像的灰度值； C一鑄坯碳元素含量的平均值； ;一鑄坯低倍組織灰度圖中灰度值的平均值； 255-灰度值的理論最高值。
【文檔編號(hào)】G01N21/84GK105866124SQ201610405221
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】侯自兵, 王偉, 常毅, 陳晗
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)