計算機在材料檢測中的應(yīng)用

計算機在材料檢測中的應(yīng)用第一頁，共三十頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容4.1在線測量基本原理4.2材料成分的檢測4.3材料組織結(jié)構(gòu)的檢測4.4材料力學(xué)性能的檢測4.5材料物理性能的測量4.6聯(lián)機電化學(xué)測試系統(tǒng)第二頁，共三十頁，2022年，8月28日4.1在線測量基本原理（一）傳統(tǒng)測量方法（人工測量）（二）在線測量方法最大弊端：工作量大且容易出錯。第三頁，共三十頁，2022年，8月28日（三）在線測量系統(tǒng)的組成和原理第四頁，共三十頁，2022年，8月28日（四）計算機在材料檢測中的應(yīng)用材料的性能主要決定于它的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)。化學(xué)成分不同的材料具有不同的性能；而相同成分的材料經(jīng)過不同的加工處理而具有不同的組織結(jié)構(gòu)時，也將具有不同的性能。材料科學(xué)就是以材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系及其變化規(guī)律為研究對象的；以這些關(guān)系和規(guī)律作為依據(jù)，可以為材料設(shè)計適當?shù)某煞趾瓦m宜的加工工藝，從而獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)，當然也獲得材料的最終性能。所以在材料科學(xué)中，對材料成分、組織結(jié)構(gòu)的分析與研究、材料的性能檢測是十分重要的。由于材料檢測的重要性和迫切需要，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機在材料的成份、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能等的檢測方面的得到了廣泛的應(yīng)用。目前，較先進的材料檢測方法和設(shè)備都是在計算機控制下工作的，同時，其檢測到的各種數(shù)據(jù)也可直接通過計算機處理，得到我們需要的各種數(shù)據(jù)。下面將分類舉例介紹計算機在材料檢測方面的應(yīng)用，重點介紹如何在材料科學(xué)中應(yīng)用計算機解決材樹檢測方面各種實際的問題。第五頁，共三十頁，2022年，8月28日4.2材料成分的檢測材料的組成對材料的性能和應(yīng)用有很大的影響，許多材料的合成和制備也正是通過改變材料的成分來改變材料的性能。如材料的表面處理就是使材料的表面成分與心部不同，以獲得材料表面的特殊性能。因此，材料成分的檢測對于材料研究有著特別重要的意義?，F(xiàn)今可利用各種大型分析設(shè)備如掃描探針顯微鏡（SPM)、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM)，X射線衍射儀、電子衍射儀、各種譜儀如紅外光譜儀、拉曼光譜儀、原子吸收光譜儀、激光光譜儀等進行材料成分的檢測。第六頁，共三十頁，2022年，8月28日（一）分析電子顯微方法分析電子顯微方法是現(xiàn)代電子顯微學(xué)領(lǐng)域中的重要組成都分，是從微觀尺度認識和研究材料的非常重要的手段。分析電子顯微方法中要獲得材料成分的信息的方法主要有：電子能譜（EDS或EDX）（與SEM配套使用，元素分析）電子探針X射線微區(qū)成分分析（EPM或EPMA）（微區(qū)成分分析）俄歇電子能譜（AES）（表面成分分析、微區(qū)成分分析）

X射線光電子能譜（XPS）（表面成分、化學(xué)態(tài)分析）電子能量損失譜方法（EELS）高角度散射暗場方法（STEM）（也稱Z襯度方法）場發(fā)射電子槍技術(shù)（使納米尺度的成分分析成為可能，它能進行1nm以下區(qū)域的成分分析）第七頁，共三十頁，2022年，8月28日（1）計算、模擬軟件輸入被測材料的名稱、實驗條件和分析要求；系統(tǒng)按某個計算模型或公式輸出計算結(jié)果、用于實驗前的結(jié)果預(yù)測、與實驗結(jié)果比較和數(shù)據(jù)評價。（如：由SmallWorld公司編制的ElectronFlightSimulator軟件，可依據(jù)蒙特卡羅法模擬求出入射到試樣中的電子散射的軌跡，也可計算試樣產(chǎn)生的特征X射線譜等。）（2）數(shù)據(jù)分析、圖譜分析軟件對儀器測得的實驗結(jié)果（圖像或圖譜的數(shù)據(jù)），按指定的公式、方法分析處理，得到進一步的更多信息（結(jié)果）。（如：GalanInc.公司的EL/P（M）軟件，可用于電子能量損失譜儀（EELS）的控制和譜儀數(shù)據(jù)的分析，給出微區(qū)成分分析的結(jié)果等。）（3）設(shè)備控制軟件

控制各種分析設(shè)備裝置分析過程的軟件。選擇輸入分析要求、實驗條件，分析設(shè)備裝置按照這些選擇進行分析過程。大致可以分為三類（數(shù)據(jù)處理軟件部分）：計算機在成分分析設(shè)備上的應(yīng)用第八頁，共三十頁，2022年，8月28日（二）光譜儀方法光譜分析是依據(jù)樣品物質(zhì)的特征光譜，研究其化學(xué)成分和存在狀態(tài)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，光譜分析在材料成分分析和結(jié)構(gòu)分析中起著重要作用。微波輻射光譜光學(xué)光譜拉曼光譜（激光）（散射光譜）吸收光譜紫外光（20～400nm）可見光（400～800nm）近紅外光（800～900nm）紅外光譜（常用中紅外：波數(shù)4000~400cm-1

）原子吸收光譜法順磁共振光譜法核磁共振光譜法紫外可見分光光度法發(fā)射光譜原子發(fā)射光譜法分子熒光光譜法分子磷光分析法化學(xué)發(fā)光分析法X射線光譜X射線波譜（光學(xué)方法展譜）X射線能譜（電子學(xué)方法展譜）第九頁，共三十頁，2022年，8月28日計算機應(yīng)用軟件在光譜儀方法中的功能（1）測量參數(shù)選擇不同樣品作不同元素的檢測時，許多測量控制參數(shù)都有所不同。儀器隨機控制應(yīng)用軟件能選擇不同的參數(shù)，為此建立測量控制參數(shù)文件，存儲在磁盤中，供以后調(diào)用；并能顯示、輸入、修改、存儲測量控制參數(shù)等。（2）定標處理測量前儀器都需經(jīng)標準樣品校準。標準樣品中各種元素濃度與儀器相應(yīng)通道的光譜線強度計數(shù)值一般以文件形式存儲，應(yīng)用軟件在工作時調(diào)用此文件與實測時的光譜線比較．得出被測樣品的含量值。（3）常規(guī)測量過程控制完成一般的常規(guī)測量過程，同時數(shù)據(jù)系統(tǒng)把測量數(shù)據(jù)依通道存入測量數(shù)據(jù)文件。（4）分析測量結(jié)果依測量數(shù)據(jù)文件和定標文件對被測樣品作出分析，給出被測樣品的成分分析結(jié)果，并顯示相應(yīng)結(jié)果。有的還可以將兩者的譜線圖同時放在一起，以便工作人員加以人工比較和判斷。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日4.3材料組織結(jié)構(gòu)的檢測材料科學(xué)是以材料的成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及其變化規(guī)律為研究對象的，所以材料科學(xué)研究中通常都要檢測直接影響性能的材料組織，評價材料缺陷；在了解了材料組織與缺陷，以及其與性能之間的關(guān)系的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上進行計算機仿真，則是材料科學(xué)研究的新手段。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日（一）金相圖像分析系統(tǒng)人工金相定量分析法：網(wǎng)格法、稱重法等局限性：準確性和重現(xiàn)性差、效率低、在某些情況下還無法實現(xiàn)。

——在自動檢測方面具有較高的測量精度。其測量速度快，重現(xiàn)性好，并且能連接金相顯微鏡、掃描電鏡和數(shù)碼相機等各種外部設(shè)備、有豐富的圖像編輯、增強、變換和切割功能，可對特征物自動完成測量。所以圖像分析系統(tǒng)在金相定量檢測方面得到了廣泛的使用。計算機金相圖像分析系統(tǒng)：包括：金屬平均晶粒度測定軟件包、球墨鑄鐵球化率評級軟件包、汽車滲碳晶粒度測定軟件包等。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日（1）合金相的定量測量1）半自動網(wǎng)格法

網(wǎng)格法是一種典型的計點分析法，以往都是由人實現(xiàn)計點的，這里是計算機自動識別。半自動是指需要由人目判斷合金相類型，對待測合金相所占網(wǎng)格結(jié)點用鼠標點以不同的顏色以示區(qū)別。計算機自動統(tǒng)計出待測合金相所占網(wǎng)格結(jié)點的數(shù)目和網(wǎng)格結(jié)點總數(shù)目，兩者之比即為待測合金相的含量。2）區(qū)域識別法用鼠標先將待識別的組織劃分為若干閉合區(qū)域，若閉合區(qū)域內(nèi)只有一種組織（單相），通過統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)的像素數(shù)目就可以實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的一種組織的識別和計數(shù)，并送入該相計數(shù)累加器；若閉合區(qū)域內(nèi)有兩種灰度（或顏色）反差較大的組織（雙相），那么通過統(tǒng)計該區(qū)域內(nèi)不同灰度的像素數(shù)目就可以實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)的雙相的識別和分別計數(shù)。并送人分別的計數(shù)累加器，實現(xiàn)多區(qū)域的統(tǒng)計識別。最后根據(jù)計數(shù)累加器的數(shù)字就可得到相應(yīng)的相含量。金相圖像分析系統(tǒng)可以確定金相組織中合金相的類型及其含量，系統(tǒng)提供兩種識別方法：第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日（2）非金屬夾雜物的定量測量鋼中的非金屬夾雜物對性能的影響很大、其影響程度主要取決于非金屬夾雜物的性質(zhì)、數(shù)量、大小、分布情況等。一般認為非金屬夾雜物越少，且細小顆粒呈均勻分布時對鋼的性能影響越小。但由于以前人工測量手段的局限，包括GB1056－1989規(guī)定的標準等級圖片法，對非金屬夾雜物的數(shù)量、大小、分布情況等也只能有定性的認識，定量測量很粗略。

金相圖像分析系統(tǒng)可以對非金屬夾雜物的數(shù)量、大小、分布情況作自動定量檢測，步驟如下：1）非金屬夾雜物標記

不同的夾雜物標以不同的標記數(shù)值，以便對每個夾雜物進行識別測量。2）夾雜物特征參數(shù)的測量包括夾雜物體積分數(shù)、形狀因子、平均面積、分布情況等的測量。3）給出定量測量結(jié)果第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日（二）材料缺陷的計算機評定材料缺陷（內(nèi)部缺陷、外部缺陷）檢測、分組評定是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一，長期以來，材料缺陷的檢測都是用肉眼觀察圖像來判斷。這對于一些要求檢測率比較高的電站設(shè)備、壓力容器等重要部件，不僅檢測工作量大、周期長，而且檢測水平受檢測主觀因素的影響而不穩(wěn)定。隨著計算機圖像處理與模式識別技術(shù)的發(fā)展以及材料缺陷特征參數(shù)的研究，計算機材料缺陷評定系統(tǒng)具有材料缺陷圖像獲取、缺陷檢出、缺陷識別、缺陷尺寸測量和分級評定等功能，基本上實現(xiàn)了材料缺陷檢測、分級評定的全部自動化。第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日（1）計算機材料缺陷評定系統(tǒng)硬件配置投影儀（低倍放大）顯微鏡（高倍放大）攝像機計算機打印機顯示器計算機材料缺陷評定系統(tǒng)硬件配置示意圖第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日（2）計算機材料缺陷評定系統(tǒng)軟件構(gòu)成1）圖像采集及存儲模塊用于實現(xiàn)參數(shù)定義、采集及存儲圖像。用此模塊，計算機控制投影儀、顯微鏡、攝像機、采集和實時顯示欲分析的材料圖像，并以文件形式存儲該圖像備案。2）圖像預(yù)處理模塊

主要用于圖像增強。此模塊主要包括：圖像數(shù)字化、消噪處理、圖像增強、銳化處理、二值化等計算機圖像技術(shù)處理，以改善缺陷的圖像質(zhì)量。3）特征提取模塊

用于針對缺陷的特征，提取被采集部位的圖像的缺陷信息，采用合適的識別準則判定缺陷的類型、位置等，列出缺陷的主要特征參數(shù)表格。4）分析模塊

主要用于列出各種缺陷分布情況結(jié)果，負責(zé)數(shù)據(jù)存儲并評定級別。第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日（三）材料顯微組織的計算機仿真在大量的材料顯微組織檢測后，了解了材料組織以及其與性能之間的關(guān)系和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，就可進行計算機仿真，建立材料的顯微組織模型（三維模型），然后反過來又可用該顯微組織模型推測（而不是檢測）材料的性能。例：顆粒復(fù)合材料顯微組織的計算機仿真顆粒復(fù)合材料的性能對其顯微組織是特別敏感的，建立兩者之間的關(guān)系已經(jīng)成為顆粒復(fù)合材料顯微組織設(shè)計的重要內(nèi)容。由于材料是不透明的，直接從實際材料觀測其三維顯微組織很困難，目前可用的方法包括從材料二維截面推測其三維織織特征及參量的體視學(xué)方法、以及材料的系列金相截面進行三維重建的方法等。其中體視學(xué)方法是間接的，試樣要滿足一定的條件，而系列金相截面進行三維重建法工作量很大；可以用計算機仿真模擬具有不同顆粒和基體組織參數(shù)的顆粒增強復(fù)合材料顯微組織。第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日（1）增強粒子的空間分布顆粒復(fù)合材料中顆粒的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)包括粒子形狀、尺寸、位置及空間分布、數(shù)量（體積分數(shù)和總顆粒分數(shù)）等，這些顆粒的幾何特征參數(shù)都會影響到材料的性能?？梢杂脭?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示顆粒的幾何特征參數(shù)。其中，模擬實際復(fù)合材料中顆粒的空間分布是要著重解決的問題，因為顆粒分布對材料的性能有重要影響。對于不同的空間分布，可采用的顆粒坐標計算方法如下：第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日（2）基體的MONTECARLO（蒙特卡羅）仿真蒙特卡羅法亦稱為隨機模擬或隨機抽樣技術(shù)。所謂蒙特卡羅法是把某一問題作出一個適當?shù)碾S機過程，把隨機過程的參數(shù)用由隨機樣本計算的統(tǒng)計量值來估計，從而由這個參數(shù)找出最初所述問題中包含的未知量的方法。顆粒增強復(fù)合材料的基體組織一般是多晶聚集體，其晶粒的形狀、尺寸及尺寸分布等參數(shù)對其性能有著重要的影響。多晶基體的晶粒長大過程可認為是一隨機過程，可以利用蒙持卡羅仿真方法來模擬。一些材料科學(xué)工作者運用蒙特卡羅方法模擬晶粒長大過程已取得了較大的進展。可把這類模擬組織作為顆粒增強復(fù)合材料的基體組織的一種模型，這種仿真方法所得到的多晶基體組織與實際上的近似等軸的晶粒組織非常接近。第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日（3）三維可視仿真結(jié)果由上述第一步產(chǎn)生不同形狀、尺寸、位置及空間分布、數(shù)量（體積分數(shù)和總額粘分數(shù)）的顆粒組織數(shù)據(jù)；再將其與第二步（蒙持卡羅方法）結(jié)合，在顆粒組織的基礎(chǔ)上產(chǎn)生基體組織，得到了具有不同平均晶粒尺寸的顆粒增強復(fù)合樹料的顯微組織。在仿真程序中，顆粒的形狀可以選擇為球狀、橢球體、圓柱體、規(guī)則多面體等。顆粒的空間分布可以選擇為周期分布、隨機分市、層狀分布、線狀分布、團聚分布等，通過改變顆粒和基體組織參數(shù)，可以仿真出各種實際顆粒增強復(fù)合材料的顯微組織。三維可視仿真結(jié)果出來后，就可以作任意的二維截面，從而用于顆粒組織和多晶聚集體的體視學(xué)研究；可以用于顆?？臻g分布的表征問題的研究；可以將三維仿真組織轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，并賦予其中各相以材料性質(zhì)，作為顆粒增強復(fù)合材料計算的材料模型。第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日4.4材料力學(xué)性能的檢測材料的力學(xué)性能指標是工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基礎(chǔ)，主要包括屈服強度、抗拉強度、斷裂強度、沖擊韌度、硬度、疲勞強度和蠕變強度，以及伸長率、斷面收縮率等。隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，材料的力學(xué)性能的檢測范圍變得越來越廣，檢測技術(shù)的要求也越來越高。電子技術(shù)、計算機技術(shù)的引入,使材料力學(xué)性能檢測的實驗設(shè)備的自動化程度幾乎達到了智能化，測量精度也大大提高。第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日例：萬能材料試驗機的計算機輔助測試系統(tǒng)（1）系統(tǒng)工作原理及主要裝置檢測控制采用特殊的PWM數(shù)控電液比例微小流量閥：即可實現(xiàn)緩慢或微小的位移控制，又能實現(xiàn)一定速度的試驗過程控制；既能作應(yīng)力控制，也能作應(yīng)變控制，還能作二者復(fù)合控制，且其控制范圍相當寬。由計算機、PWM流量閥和直接驅(qū)動流量閥的多功能板卡構(gòu)成材料試驗機的PWM數(shù)字伺服系統(tǒng)，使材料試驗機的控制精度、控制穩(wěn)定性、控制范圍和軟件設(shè)汁的難易程度都有較大的改善。第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日（2）系統(tǒng)軟件的組成

多層菜單形式

——有試驗參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和試驗結(jié)果輸出等子菜單；

實時軟件濾波程序

——在采樣過程中運行實時軟件濾波程序，消除試驗過程中隨機干擾信號和周期性高頻信號的影響；

標定傳感器

——得到多功能板各A／D通道的采樣數(shù)據(jù)與相應(yīng)各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。從而把多功能板卡各A／D通道中采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成各物理量實際值。第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日（3）主要實現(xiàn)功能

主要力學(xué)性能指標的測量試驗過程的控制

在試驗過程中可實時跟蹤計時，把變形值、力值、應(yīng)力速率、應(yīng)變速率等均顯現(xiàn)在屏幕上，可根據(jù)標準和要求很容易地對應(yīng)力速率、應(yīng)變速率進行控制。模擬再現(xiàn)試驗過程試驗過程數(shù)據(jù)自動存入對應(yīng)文件，試驗后可以在屏幕上模擬再現(xiàn)試驗過程，其中包括變形值、力值、應(yīng)力速度、應(yīng)變速度等變化；這有助于分析試驗過程中的受力狀況。試驗曲線的計算無論在試驗過程中，還是在試驗后，以數(shù)據(jù)文件的方式調(diào)出的試驗曲線都可以進行某些指標值的計算。試驗報表功能可以根據(jù)標準和要求設(shè)計試驗報表格式，能夠把試驗數(shù)據(jù)