夜雨聆风金相图像分析 | 颗粒定量 | 2026-08-25
把SEM原图里650颗碳化物数清楚,才知道这颗钢是不是真的"球化好了".
一,原始SEM图像
这是一张典型的合金钢SEM灰度图,放大倍率较高,基体呈暗灰色,弥散分布着大量白亮的碳化物颗粒.颗粒大小从亚微米到约2.5 μm不等,部分呈椭圆/不规则状,少量相邻颗粒有粘连倾向.
图1原始SEM图像(灰度,白亮颗粒为碳化物,基体为铁素体/马氏体)
二,实例分割(每个颗粒独立编号)
对SEM图像中的碳化物做实例分割,为每一颗碳化物分配不同颜色.下面这张彩图是650颗碳化物的实例分割结果,每一团颜色代表一颗独立颗粒.可以直观看到,大部分颗粒彼此不粘连,但左上和右上有少量接触/合并区域,后续通过分水岭/椭圆拟合做了二次切分.
图2实例分割结果(每颗碳化物一个独立颜色,共650颗)
三,二值分割mask
在实例分割结果的基础上,把各颗粒的标签区域合并转换为二值mask:白=碳化物区域,黑=基体.这一步将实例级分割投影为整体区域,便于后续的叠加验证和整体形貌观察.
图3二值分割mask(白=碳化物,黑=基体,由实例分割结果转换得到)
四,在原图上叠加验证
把mask以红色半透明叠加回原图,可以快速验证分割质量:红色边界是否贴合白亮颗粒轮廓,有没有漏分割或过分割.下图显示边界贴合良好,大颗粒整体捕获,小颗粒(直径<0.3 μm)识别率也较高.
图4原图叠加mask(红色为分割区域,验证边界贴合度)
看到一张图能数出650颗碳化物,这件事本身,就是AI给金相分析带来的最大变化.
五,定量统计摘要
对全部650颗碳化物,逐颗计算面积、周长、等效直径(d=2√(A/π)).结果用三张关键数字卡 + D10/D50/D90分位数表呈现:
图5碳化物颗粒统计摘要(总数 / 总面积 / 平均圆度,以及D10-D90分位数)
六,关键统计量明细表
表1 650颗碳化物关键统计量
七,等效直径分布
粒径分布是评价球化质量的核心指标.从直方图看,分布近似单峰右偏:
• 峰值粒径约0.45 μm,峰值颗粒数118颗(占18.2%)
• D50 = 0.635 μm,D90 = 1.120 μm,90% 颗粒都在1.1 μm以下
• 右尾延伸到约2.5 μm,但数量稀少(<1% 颗粒属于粗大碳化物)
图6等效直径分布直方图(0.1 μm步长,标注D10/D50/D90/峰值)
对于轴承钢/工模具钢这类依赖弥散第二相强化的钢种,这种以亚微米颗粒为主、少量粗大颗粒的分布,通常对应着较好的球化退火状态;如果粗大颗粒(>2 μm)占比超过5%,往往意味着退火不充分或存在未溶碳化物.
八,面积分布与尺寸分级
把颗粒按等效直径分成四档,看数量和面积贡献:
图7左:面积分布直方图;右:按尺寸分级的颗粒数vs面积贡献
结果有3个值得关注的点:
• 微细颗粒(<0.5 μm)数量最多,217颗,占33.4%
• 细小颗粒(0.5-1.0 μm)数量第二,333颗,占51.2% — 两者合计占84.6%
• 粗大颗粒(≥2.0 μm)只有6颗,数量极少(0.9%),但面积贡献24.7 μm²,占7.7%
数量上"中小颗粒主导",面积上"少数大颗粒贡献不可忽略" — 这正是弥散强化相的典型特征.也意味着,在做工艺-组织-性能关联建模时,粗大颗粒的统计要单独拎出来,不能被中小颗粒的均值"淹没".
九,圆度与几何一致性
最后看两个验证项:实测颗粒和"等效圆"的几何一致性,以及圆度分布.
图8左:实测等效直径vs实测面积,虚线为理论圆A=π/4-d²;右:圆度C=4πA/P²分布(均值0.85,圆形理论值0.785)
两个观察:
• 实测散点几乎完全贴在理论圆曲线上(R²视觉上 >0.99),说明像素级面积和等效直径的换算是一致的,没有测量噪声或失真.
• 圆度均值0.850,高于正圆0.785 — 颗粒偏椭球(截面效应),分布在0.8-0.95区间集中,少数颗粒 <0.5是因为两颗粘连后被合并成一个不规则连通域.
碳化物的"数得清,量得准",是把金相对比从经验判断,推进到定量材料学的第一步.
数据来源: SEM原图 + 实例分割 + 二值mask转换;统计样本N=650颗 (原始674颗,过滤周长<0.05 μm噪声后保留).
物理口径: 等效直径d = 2√(A/π),圆度C = 4πA/P²,分级标准按材料学常用区间.
本图自动生成,可作为材料工艺-组织定量分析的标准化模板.
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