布氏硬度測量方法淺析

(河鋼集團(tuán)鋼研總院 理化檢測中心, 石家莊 050000)

硬度是反映材料力學(xué)性能的基本指標(biāo)，而布氏硬度測量方法由于壓痕大、測量結(jié)果較準(zhǔn)確，是金屬硬度檢測中應(yīng)用最廣泛的檢測方法之一[1]。 目前，國內(nèi)大多數(shù)采用光學(xué)顯微鏡人工讀數(shù)的方式進(jìn)行壓痕測量，然后再查表或計(jì)算得出布氏硬度測量值[2]。隨著圖像傳感器技術(shù)及圖像測量技術(shù)的發(fā)展，尤其是近幾年機(jī)器視覺識別技術(shù)的飛速發(fā)展，采用圖像測量技術(shù)進(jìn)行布氏硬度壓痕測量的方法快速興起。除了對壓痕進(jìn)行直接測量的方法，近年來，在國內(nèi)外也出現(xiàn)了測深法，是通過測量壓頭壓入被測材料的深度，換算面積從而計(jì)算布氏硬度[3]。為更好地了解各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者對目前國內(nèi)外使用的布氏硬度測量方法進(jìn)行了分析，以期改善測量方法。

1 人工測量方法

布氏硬度是將某直徑D的碳化鎢合金球施加試驗(yàn)力F壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕的直徑d，布氏硬度與試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商成正比。其中壓痕直徑是在壓痕的兩個(gè)相互垂直方向上利用光學(xué)讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行測量，根據(jù)測得的兩壓痕直徑求得壓痕平均直徑，然后再帶入公式求得其布氏硬度。

在利用光學(xué)讀數(shù)顯微鏡測量壓痕的過程中讀數(shù)對光照強(qiáng)度比較敏感，因此，該方法對光源要求較高。同時(shí)，放在試樣表面的光學(xué)顯微鏡極其容易偏動(dòng)，試驗(yàn)人員需要格外細(xì)心并且反復(fù)瞄準(zhǔn)壓痕邊界線，給壓痕測量工作造成了極大的不便，準(zhǔn)確性也有所降低。針對此問題高斐等[4]研究了一種金屬布氏硬度計(jì)檢測用壓痕測量裝置，該裝置包含磁力開關(guān)部分和顯微固定部分，利用磁力將試樣固定，使得測量過程中試樣不易移動(dòng)，操作簡單，適用性較強(qiáng)，方便測量不同尺寸的試樣。

除了可以利用光學(xué)顯微鏡測量以外，在光學(xué)測量的基礎(chǔ)上，也進(jìn)行了一些改進(jìn)。利用電荷耦合元件(CCD)攝取壓痕圖像，輸入到計(jì)算機(jī)中。在計(jì)算機(jī)中，沿壓痕圖像的邊界點(diǎn)選3個(gè)壓痕圓的輪廓點(diǎn)生成一個(gè)擬合圓，通過人工拉線的方式測量壓痕圓直徑。該方法雖然較傳統(tǒng)方式有所改進(jìn)，但仍需人工參與，仍然會(huì)帶來較大的人為誤差且效率較低[6]。

2 測深法

近年來，國內(nèi)外也出現(xiàn)了測深法，通過測量壓頭壓入被測材料的深度，換算為面積，從而計(jì)算布氏硬度，或者通過軟件擬合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，直接將測量深度與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫對比得到布氏硬度。李和平[3]針對布氏硬度測量方法需要光學(xué)系統(tǒng)測量壓痕直徑效率低的缺點(diǎn)，以及快速布氏硬度測量方法測量結(jié)果可比性差的缺點(diǎn)，提出如果可以根據(jù)壓痕深度計(jì)算出壓痕直徑及布氏硬度，則可以克服這些缺點(diǎn)，提高了布氏硬度自動(dòng)測量系統(tǒng)的效率和測量結(jié)果的可比性。該文獻(xiàn)指出了目前許多關(guān)于硬度測量方法的標(biāo)準(zhǔn)和文章中都沒有區(qū)分“壓痕深度”和“裝有壓頭的壓桿位移”這兩個(gè)不同的長度量，提出了采用從壓桿最大位移中扣除硬度計(jì)彈性變形得到的壓痕深度來計(jì)算壓痕直徑和布氏硬度的方法，該方法兼具布氏硬度測量和快速布氏硬度測量的優(yōu)點(diǎn)，可準(zhǔn)確快速地得到布氏硬度的測量結(jié)果。李和平[3]大膽預(yù)測將來布氏硬度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括兩種方法，一種是傳統(tǒng)的測量壓痕直徑的方法；另一種是通過精確測量壓桿位移推算出壓痕深度，然后計(jì)算布氏硬度的方法。測深雖然在小范圍內(nèi)驗(yàn)證了其可行性，但尚未經(jīng)廣泛驗(yàn)證，且隨著設(shè)備的年限老化，其剛度系數(shù)會(huì)存在很大的不確定性。

3 基于圖像處理技術(shù)的方法

基于圖像處理技術(shù)的硬度測量方法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)，也是國內(nèi)外競相積極投入研發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目。利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)自動(dòng)測量壓痕圓直徑，并自動(dòng)計(jì)算被測試樣的布氏硬度，按照布氏硬度測量原理進(jìn)行，測量精度和測試效率都得到較大提高和改善。

黎永前等[7]提供了一種硬度塊壓痕直徑測量方法及裝置，首先拍攝壓痕圖像，然后進(jìn)行圖像處理，包括灰度化、直方圖均衡化法圖像增強(qiáng)、圖像濾波、輪廓檢測、去噪、輪廓填充、輪廓提取，最后采用最小二乘法擬合提取壓痕擬合直徑得到布氏硬度。單忠德等[8]應(yīng)用基于機(jī)器視覺的布氏硬度自動(dòng)測量系統(tǒng)采集壓痕圖像，研究了壓痕圖像濾波、壓痕圖像輪廓直徑提取、直徑標(biāo)定系數(shù)等算法，提出了基于粒子群動(dòng)態(tài)輪廓模型(Snake模型)的壓痕輪廓提取算法，并通過引入壓痕直徑標(biāo)定系數(shù)，解決了視覺測量中的壓痕直徑像素與壓痕物理直徑的換算關(guān)系，并對直徑標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行最小二乘法擬合，提高了測量精度。

綜合各種基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)檢測壓痕系統(tǒng)，其主要過程都是采用攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，然后進(jìn)行圖像去噪、邊緣檢測、最小二乘法擬合，得到壓痕直徑，最后根據(jù)輸入系數(shù)計(jì)算布氏硬度。文獻(xiàn)[8]中的測量大多數(shù)是在圖像輪廓很清晰的條件下進(jìn)行的，對于光照條件不好導(dǎo)致壓痕輪廓清晰度降低的圖像，該算法的表現(xiàn)都不盡如人意，同時(shí)對于算法的精確度和魯棒(Robust)性也有待考量。未來隨著高分辨率、高精度的圖像采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，可能會(huì)給自動(dòng)檢測壓痕系統(tǒng)帶來新的生機(jī)。

4 基于深度學(xué)習(xí)的方法

雖然基于圖像處理技術(shù)的布氏硬度壓痕測量系統(tǒng)極大地提高了測量的精度和效率，但是該方法仍具有局限性。在實(shí)際測量中，并不一定都是表面處理得特別好的標(biāo)準(zhǔn)試樣，測量過程中表面條件、硬度等級甚至粗糙度等都會(huì)對測量結(jié)果有很大的影響，有時(shí)很難用圖像處理方法檢測壓痕邊緣，這種情況下基于圖像處理技術(shù)的方法不一定能滿足測試的需求。

隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)在圖像識別方面有很大的進(jìn)步?；谏疃葘W(xué)習(xí)的圖像識別方法不像傳統(tǒng)的圖像識別方法那樣需要繁瑣的圖像處理，該方法不受表面條件等因素的限制，只要將原始圖像輸入網(wǎng)絡(luò)中，利用一定的訓(xùn)練集進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，該網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)提取目標(biāo)并識別所需特征。TANAKA Y等[9]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)用于測量壓痕直徑，該方法實(shí)現(xiàn)了布氏硬度的魯棒自動(dòng)測量。該文獻(xiàn)在AlexNet的基礎(chǔ)上提出使用一個(gè)具有5個(gè)卷積層和2個(gè)全連接層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來檢測壓痕邊緣，使用數(shù)據(jù)集結(jié)合壓痕邊緣圖像和人工測量給出的邊緣位置來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明人工測量方法和使用CNN方法測量的壓痕直徑差異在0.3%以內(nèi)，證明該方法在試樣硬度和表面特征的獨(dú)立性方面是通用的，其測量結(jié)果與人工測量結(jié)果有較好的一致性。該方法對數(shù)據(jù)集的要求較嚴(yán)格，首先要有足夠的數(shù)據(jù)集圖像，且人工進(jìn)行標(biāo)識也是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，對于未來如果各方專家測量的數(shù)據(jù)集能夠組合起來并公開分享，將有利于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

5 結(jié)語

總結(jié)了目前現(xiàn)有的4種布氏硬度測量方法，分別為人工測量方法、測深法、基于圖像處理技術(shù)的測量方法以及基于深度學(xué)習(xí)的測量方法。闡述了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，人工測量方法雖然被認(rèn)為是可靠的測量方法，但是該方法需要人工操作，會(huì)有人為誤差且效率較低。測深法雖被證明具有可行性，但是尚未經(jīng)廣泛驗(yàn)證?；趫D像處理技術(shù)的自動(dòng)測量系統(tǒng)在測量結(jié)果的精度和測試效率方面表現(xiàn)出很好優(yōu)勢，但對于測量表面粗糙、壓痕不明顯的試樣依然具有局限性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別技術(shù)將對各個(gè)領(lǐng)域有突出的貢獻(xiàn)，該方法或?qū)?huì)成為未來布氏硬度自動(dòng)測量系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。