用于自动量化枝晶微观结构中枝晶臂间距的方法技术

一种用于自动量化枝晶微观结构中枝晶臂间距的方法。一旦铸造材料标本中的关注位置被识别，其内包含的信息被自动分析以量化枝晶胞大小信息，所述枝晶胞大小信息随后通过经验关系或理论关系转换成量化的枝晶臂间距。在一种形式中，DCS和DAS之间的关系是这样的：铸铝合金的枝晶结构中的DAS可以通过测量一个或多个枝晶胞大小和局部铸造微观结构中共晶相的实际体积分数来自动确定。在平衡状态中合金共晶相的理论体积分数被适当地改变情形中的非平衡状态可以被解释。因此，在平衡状态（例如铸件在凝固期间冷却非常缓慢的那些）不适用的情形中（例如，迅速冷却和随之发生的凝固期间），在非平衡状态下被测量的共晶体（其可能比平衡状态下的理论值小）能够被解释。

【技术实现步骤摘要】
用于自动量化枝晶微观结构中枝晶臂间距的方法相关案例声明本申请是2013年2月4日提交的美国申请系列号13/757,914的部分延续，所述美国申请系列号13/757,914的名称为用于自动量化枝晶微观结构中枝晶臂间距的方法，其要求2012年4月12日提交的美国临时申请61/623,145的权益。
技术介绍
本专利技术总体涉及金属铸件的微观结构细度的量化，并且更为具体地，涉及金属铸件的枝晶微观结构中枝晶臂间距（DAS）的自动量化，作为避免必须手动进行此种测量的途径。所有铝基铸造部件（例如发动机组、气缸盖、传动部件等等）的最终微观结构通常由合金成分，并且更为特别地由凝固条件确定。在亚共晶合金（即，与对应于共晶成分相比含有较少其它合金化组分的那些，亚共晶合金的实施例包括但不限于A356and319）中，材料容易枝晶状地凝固。其它例示枝晶凝固的这种铝合金示例包括354,355,360,380,383及其它。此族合金的典型微观结构由初次枝晶相和次生颗粒相（例如硅颗粒和富铁金属间化合物）构成。铸态结构中的这些相的相对数量、大小和形态高度取决于凝固条件以及合金成分。枝晶胞大小（DCS）和DAS（有时称作二次枝晶臂间距）长期以来用于量化铸件的细度，继而能够用来获得对材料及其相关特征的更多理解，其中，作为一般规则，具有较小DAS的铸造部件通常具有较好的延展性和相关的机械特性。关于铝合金铸件（以及尤其关于DAS特性）的讨论通常可以在本专利技术受让人所拥有的许多其它专利申请中找到，包括提交于2009年1月20日的美国专利申请12/356,226，提交于2009年3月12日的美国专利申请12/402,538，提交于2009年5月12日的美国专利申请12/454,087，以及提交于2011年3月8日的美国专利申请12/932,858，所有这些都通过参考引入本文。已经有许多描述枝晶纯化及其与凝固条件关系的成果，其由Alexander和Rhines开始于1950年，Alexander和Rhines首次确立了成分和凝固率对某些枝晶特征影响的量化基础。下面的表1总结了已知文献以用量化术语描述枝晶结构的细度。表1描述枝晶的微观结构参数在上述中，Spear和Gardner(1963)使用通过随机线性截取获得的DCS定量地描述了枝晶结构的量度，并在其图3(a)中被称作DCSli。之后的Spear和Gardner，Jaquet和Hotz(1992)在其研究中也使用了DCSli来量化枝晶。Levy等(1969),Oswalt和Misra(1980),Radhakrishna等(1980)和Flemings等(1991)都论述了DAS以量化枝晶结构。在这些方法中，DAS通过线性截取的方法获得，其中所述线被选择以截取一系列良好限定的二次枝晶臂。McLellan(1982)使用了枝晶胞计数（CPUA）来量化微观结构，并声称其比DAS更为准确地描述了变形过程。然而，Levy等(1969)已精密性地分析了DAS和CPUA二者的测量值以表征铸态结构，并指出DAS测量的标准偏差比CPUA小，而且根据CPUA计算的平均胞大小也比平均DAS大。CPUA测量涉及到枝晶的初次、二次和三次臂，而DAS测量通常只涉及二次臂间距。与手动测量DAS关联的方法经常被本专利技术受让人屡次用作进行铝铸件DAS测量的途径。此过程总体上首先包括金相样本的制备，其制备根据已知标准，例如美国检验与材料协会金相标本制备标准指南（也称为ASTME3），其一部分如下地再现于表2中。表2ASTME3待分析样本的表面质量被期望足以反映颗粒最真实的可能大小和形状。在一种形式中，抛光平面将包括共晶相，所述共晶相与周围的基质相比将显得较暗。因此，在一种形式中，金相样本最终被抛光以获得平坦的、近乎镜像表面的光洁度。化学刻蚀可以用来增强枝晶结构的对比度，其中在一种形式中，所述刻蚀可以按照ASTME407。优选地，样本是洁净且干燥的，而抛光后生现象（例如彗尾、点蚀、划痕、起钻和着色）应该保持最低限度。同样，试验条件和偏差应该事先调适。在优选的形式中，每个样本将在许多视域中进行观测，其每个均经过高度（例如100X）地放大（取决于材料晶粒的细度）。这之后，待测量的视场图像应被捕获。在一种形式中，线性截取法可以用于测量DAS，其中，在具有至少三个枝晶臂的每个视场中具有可见枝晶主干的三个或更多个枝晶被选择。据此，从第一枝晶臂的外沿到最后枝晶臂的内沿划定一条线；在图6B中描述此种的示例。用于每个枝晶的距离d可以被记录，同时枝晶臂的数量n1,n2,n3等（为每个测量而计数）也可以被记录。这些动作可以为每个视场重复。目前，共晶体的体积百分比和DCS二者能够通过使用图像分析器来自动确定。局部冷却率不仅影响微观结构的细度而且影响孔隙的形成。因此，DAS通常被更为频繁地使用以量化微观结构的细度。DAS测量的问题在于：其必须通过识别图像中良好限定的枝晶臂而手动执行。遗憾地是，这不仅非常耗时，而且严重依赖于做测量的使用者或个人的技能。
技术实现思路
本文所揭示的本专利技术的各个方面解决了对于自动解释铸造部件的DAS和相关材料特性的变化的无能为力，其中金属铸件的枝晶微观结构中DAS的准确且自动的测量能够用于产品质量控制，以及产品性能和耐用性分析。根据一个实施例，揭示了一种用于自动预测铸造部件中DAS分布和相关材料特性的方法。所述方法包括从所关注的铸件位置中获取微观样本。在本上下文中，微观样本是在标准过程中制备以用于微观结构分析的金相样本。一种此类标准过程包括如上所讨论的ASTME3工序。之后，所述样本被分析。在一种形式中，图像分析器能够用于测量DCS，其使用DCS线性截取（DCSli）法、平均面积等效圆直径法(DCSed)或相关方法（其中可以使用DCS、共晶体积分数和枝晶宽高比）中的任意一者。据此，测量的DCS值根据本文所提出的关系中的一个转换成DAS。对应于DCS值的量化DAS值优选地用用户方便（ready）的格式表达，例如适用于人阅读的打印输出，或者以计算机可读格式的数据（所述数据能够随后被计算机打印输出设备、计算机可读算法或其它适当的装置操作）。在优选的形式中，在所关注的特定位置中测量的各种宽高比的平均数可以用作表示在随后的计算或相关算法中的宽高比。如目前所配置的，自动化可以通过程序或相关算法进行，所述程序或相关算法能够在数字计算机上执行、运行或另外形式地实施，以产生最终的DAS数据表示。在优选的形式中，数字计算机优选地包括输入、输出、处理单元（通常称作中央处理单元（CPU)）和存储器中的一个或多个，其能够在计算机的存储器中暂时地或永久地储存这种代码、程序或算法，以便包含在代码中的指令被处理单元基于输入数据而操作，以便由代码和处理单元所产生的输出数据能够经由输出而输送到另一程序或用户。在一种形式中，存储器的数据容纳部分（也叫做工作存储器）称作随机存取存储器（RAM），而存储器的指令容纳部分（也叫做永久存储器）称作只读存储器（ROM）。数据总线或相关的电线组以及关联电路形成适当的数据通讯路径，所述数据通讯路径能够将输入、输出、CPU和存储器以及任何外围设备以此种方式互连，从而容许系统运作为集成总体。这种计算机系统被称为具有冯诺依曼系统结构（也称本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在亚共晶铝铸件中自动量化枝晶臂间距的方法，所述方法包括：使用基于计算机的系统获取对应于所述铸件中关注位置的图像；使用所述基于计算机的系统，以通过用栅图案覆盖所述图像来量化在来自所述图像的至少一个胞边界与所述栅图案的至少一个部分之间的交点数量，估算所述关注位置内的枝晶胞大小；使用所述基于计算机的系统估算所述关注位置内共晶相的体积分数；使用所述基于计算机的系统估算所述关注位置内至少一个枝晶胞的宽高比；以及使用所述基于计算机的系统将所述估算的枝晶胞大小、体积分数和宽高比转换成量化的枝晶臂间距。

【技术特征摘要】
2013.02.04 US 13/757914;2013.11.04 US 14/0706091.一种在亚共晶铝铸件中自动量化枝晶臂间距的方法，所述方法包括：使用基于计算机的系统获取对应于所述铸件中关注位置的图像；使用所述基于计算机的系统，以通过用栅图案覆盖所述图像来量化在来自所述图像的至少一个胞边界与所述栅图案的至少一个部分之间的交点数量，估算所述关注位置内的枝晶胞大小；使用所述基于计算机的系统估算所述关注位置内共晶相的体积分数；使用所述基于计算机的系统估算所述关注位置内至少一个枝晶胞的宽高比；以及使用所述基于计算机的系统将所述估算的枝晶胞大小、体积分数和宽高比转换成量化的枝晶臂间距。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于计算机的系统包括图像分析器，图像分析器执行所述获取的至少一部分。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述栅图案包括一系列线性间隔的线。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述一系列线性间隔的线包括一系列同心圆。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述枝晶胞大小通过以下公式估算：DCS=L/n其中，L等于所述系列同心圆的总周长长度，DCS表示枝晶胞大小，并且n等于所述圆的线和所述至少一个胞边界之间的交点的总数。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的将所述估算的枝晶胞大小、体积分数和平均宽高比转换成量化的枝晶臂间距，通过：DAS=(1-Veu)*DCS/sqrt(α)表达，其中，Veu定义所述的体积分数，并且α是所述的宽高比，DAS表示枝晶臂间距，DCS表示枝晶胞大小。7.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q王，JW奈特，DR赫斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US