[发明专利]金属材料中枝晶组织的自动全视场定量统计分布表征方法

说明书

本发明属于金属材料的显微组织的定量统计分布分析技术领域，涉及一种金属材料中枝晶组织的自动全视场定量统计分布表征方法。本发明基于深度学习的方法，对枝晶组织特征图谱进行标记、训练，获得对应的目标检测模型，实现了全视场自动的枝晶组织中心的自动识别和标记，并结合图像处理方法，快速获得了较大范围内的所有枝晶组织的全视场形貌、位置、数量、间距等特征参数，实现了金属材料中枝晶组织的定量统计分布表征，方法具有准确、自动、高效以及定量统计分布表征信息量大的特点，较常规的单一视场的枝晶组织的特征尺寸的测量更具统计上的代表性。

技术领域

本发明属于金属材料中微观组织的特征图谱定量统计分布分析技术领域，涉及一种金属材料中枝晶组织的自动全视场定量统计分布表征方法。

背景技术

枝晶组织是金属材料定向凝固过程中产生的特征组织，主要是由合金非平衡凝固过程中固液界面处元素偏析导致的，与凝固工艺密切相关。表征枝晶组织的特征参数是枝晶间距，该参数对材料的性能有决定性影响。尤其是作为航空发动机涡轮叶片的首选材料的镍基单晶高温合金，“十”字形的枝晶组织是其主要组织，其特征参数直接影响合金的热机械性能和热处理工艺。

早期的凝固理论认为在一定的凝固条件下对应的凝固组织及其尺寸是唯一的。但近代实验研究表明，一定的凝固条件下枝晶和胞晶间距均存在一个容许的范围，在该范围内其具体间距与凝固历史相关[Hunt J D,Lu S Z.Numerical modeling of cellular/dendritic array growth:spacing structure prediction[J].Metallurgical andMaterials Transactions,1996,173(3):611-623.]，因此有必要进一步研究枝晶间距的分布情况，从而考察凝固工艺的稳定性和可靠性。其中一次枝晶间距是指相邻两个枝晶的枝晶干之间的距离，一次枝晶间距的测定目前广泛采用直接测量法，但该法统计效率低，仅适合于少量枝晶间距的测量。国家标准GB/T14999.7-2010规定了高温合金铸件中一次枝晶间距的测定方法，即统计单一视场中的一次枝晶数目，并根据金相放大倍数换算出图片的面积，最后根据公式计算该视场内的一次枝晶的平均间距，该方法需人工识别出视场内的一次枝晶个数，同样存在效率低的问题，并且不能反映不同位置、不同区域的一次枝晶间距的差异，也无法实现材料大尺寸截面上所有一次枝晶间距的统计定量分布，因此，单一视场的一次枝晶平均间距测定还不能满足材料工作者考察凝固工艺，改善材料性能的需要。

目前，阻碍金属材料中枝晶组织特征参数的快速检测的难题主要是树枝晶的形状不规则，并且图像采集时无法保证每张图片的背景灰度的均匀一致，导致并行图像处理时结果误差较大。所以常规的一次枝晶的识别和计数通常采用人工的方法进行[张小丽,杨亚楠,刘贵群,等.定向凝固法制备单晶高温合金一次枝晶间距研究[J].铸造技术,2018.39(1)：21-24]，还无法像规则的类球形颗粒组织那样通过定量金相软件给出统计结果。对于一个宏观金属材料，其本质是一个不均匀的微观组织结构的集合，而单一视场或局部的多个视场的组织观察无法反映材料的整体微观组织的分布特征，而且单个视场边部上的一次枝晶由于观察不完整也无法参与统计，导致能参与统计的完整枝晶个数的进一步减少，随机采集了多个视场进行一次枝晶的人工识别和直接间距测量，虽然增加了枝晶统计数量，这些随机视场代表的样品区域是割裂的，仍然存在着统计代表性不足的问题。

发明内容

针对上面的技术问题，同时考虑到材料本身客观存在的微观组织结构的非均匀性，本发明的目的是提供一种基于深度学习的金属材料枝晶组织的全视场自动识别、定位、测量和统计表征方法，消除人工选择视场带来的主观性误差并解决人工识别、测量、统计枝晶组织带来的效率低的问题，快速获得金属材料较大范围内的所有枝晶组织的形貌、位置、数量、间距等信息，并实现全视场内的所有枝晶组织的定量统计分布表征，为金属材料中枝晶组织提供一种更具代表性的全面、准确、自动、高效的检测手段。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：