分享：影响全自动夹杂物分析系统识别效果的因素

钢铁中夹杂物对钢铁生产和使用性能有着非常重要的影响[1-2],钢中夹杂物尺寸、分布会影响材料的整体性,造成材料力学性能、使用性能等下降,甚至导致工件断裂[3-5]。对材料进行夹杂物统计分析,可以提高产品质量。 

ASPEX全自动夹杂物分析系统可以同时识别和记录夹杂物的尺寸、形貌及成分等信息,避免因手动统计而产生低效、遗漏等问题。ASPEX全自动夹杂物分析首先将检测区域划分为若干个视场,并采集每个视场的图像。在采集单个视场图像的过程中,系统根据采集图像中的灰度进行识别,将符合夹杂物灰度区间的区域划为备选夹杂物。识别出备选夹杂物后,系统会将其尺寸与设定的检测尺寸进行对比,排除不符合检测尺寸的备选夹杂物。当遇到跨过视场边界的备选夹杂物时,将根据位置将不同视场中的同一备选夹杂物进行合并。筛选备选夹杂物完毕后,对符合检测尺寸的备选夹杂物进行能谱分析,并将能谱分析结果按照设定的分类规则进行划分。最后,将采集的所有视场中备选夹杂物汇总。 

目前,研究者对检测过程中夹杂物的识别效果进行了研究,但仅限于针对某一设备改变参数得到优化结果,而使用不同设备时则无法直接参考[6-7]。随着GB/T 30834—2022 《钢中非金属夹杂物的评定和统计扫描电镜法》的推出和施行,对研究者快速准确地获得夹杂物统计信息提出了标准化要求。笔者根据系统工作原理,对全自动夹杂物分析过程中识别夹杂物的不同图像采集参数、灰度和阈值设置及保护区设置等参数的设定进行分析,得到了通用设定参数的优化方法,以期提高统计结果的准确度。 

1.   试验仪器与方法

针对不同类型夹杂物,选取夹杂物尺寸较小的帘线钢钢水和夹杂物尺寸较大的易切削钢作为研究对象,依据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》将待测试样制备成金相试样。利用全自动夹杂物扫描电镜（SEM）分析系统对待测试样中的夹杂物进行统计和分析,参照GB/T 30834—2022要求,研究不同图像采集参数、灰度和阈值设置、保护区设置等参数对夹杂物统计结果的影响。 

2.   试验结果与分析

2.1   图像采集参数对夹杂物统计分析结果的影响

夹杂物的识别依赖于图像质量,图像质量与图像采集参数有关,图像采集参数主要有图像分辨率和放大倍数。在进行夹杂物统计分析前,应首先确定检测夹杂物的最小尺寸。采集帘线钢试样的同一区域,设定夹杂物的最小检测尺寸（长度,下同）为1 μm,在放大倍数为200倍的条件下,对分辨率为256像素×256像素,512像素×512像素,1 024像素×1 024像素等图像分别进行统计,检测面积为25.12 mm2,夹杂物统计结果如表1所示。由表1可知：当图像分辨率为256像素×256像素时,检出夹杂物的数量较少,仅为1 532个；当图像分辨率为512像素×512像素,1 024像素×1 024像素时,检测出夹杂物的数量相近。 

当放大倍数为200倍时,图像分辨率为256像素×256像素的像素尺寸为1.953 μm,大于设定的检测尺寸（1 μm）,程序识别能力不足,很多小尺寸夹杂物无法在图像中显示,因此未能被系统分辨[见图1a）]；图像分辨率为512像素×512像素的像素尺寸为0.957 μm,已经包含设定下限内的所有夹杂物[见图1b）]；图像分辨率为1 024像素×1 024像素的像素尺寸为0.488 μm,在检测过程中会将所有高于其像素尺寸的夹杂物全部识别,再根据形态规则筛选出1 μm以上的夹杂物,大大降低了检测效率[见图1c）]。结合实际情况,综合考虑采集效率及统计效果,可知图像分辨率为512像素×512像素的检测能力较好,检测时间较短。 

图  1  不同图像分辨率下夹杂物的SEM形貌

不同放大倍数对应的像素尺寸不同,识别出夹杂物的数量也不同。当放大倍数为125倍时,共检出夹杂物1 750个,少于放大倍数为200,300倍下的检出数量（见表1）。 

图像中的最小像素尺寸由放大倍数和图像分辨率共同决定,当像素尺寸较小时,试样会被密集扫描,提高了对试样中夹杂物的检测能力,但会延长SEM图像的抓取和识别时间。当像素尺寸较大时,扫描效率提高,但会存在因夹杂物过小而导致在扫描时被遗漏的问题,因此在设定时需要进行综合考虑。不同像素尺寸的夹杂物识别效果如图2所示,图中虚线框为单个像素点,点为单个束斑,圆形为夹杂物。当识别夹杂物为球形时,夹杂物识别概率F的计算方法如式（1）所示。 

式中：x为球形夹杂物半径；y为单个像素点边长；z为扫描电镜束斑半径。 

图  2  不同像素尺寸的夹杂物识别效果示意

可根据测试所需的最小尺寸夹杂物计算像素点边长,当F≥1时即可保证所有夹杂物均被识别。束斑半径相比于像素点边长非常小,通常可忽略。因此,当检测尺寸大于1 μm时,夹杂物所需最小像素边长为0.886 μm,对应放大倍数和图像分辨率分别为221倍和512像素×512像素。 

2.2   灰度和阈值设置对夹杂物统计分析结果的影响

灰度和阈值设置决定了系统对图像中夹杂物的划分,设置合适的灰度和阈值有利于提高夹杂物的识别准确度。对帘线钢试样同一区域进行采集,设置基体Fe的灰度为200,参比Al的灰度为60,不同阈值下夹杂物的统计结果如表2所示。由表2可知：当夹杂物判定阈值为0~160时（试样编号为STD）,检出的夹杂物数量为1 977个；扩大夹杂物判定阈值为0~170（试样编号为Con-60-200-170）时,检出的夹杂物数量为2 076个,说明阈值过窄会导致检测时遗漏部分夹杂物；进一步提高判定阈值至180（试样编号为Con-60-200-180）,检出的夹杂物数量与阈值为0~170时类似,但测试时间大大延长,归因于部分噪点会被误判为备选夹杂物,需要额外的识别时间；缩小判定阈值为0~150（试样编号为Con-60-200-150）,识别能力下降,检出的夹杂物数量减少。 

当设置夹杂物判定阈值为0~170时,不同基体-参比灰度下夹杂物的统计结果如表3所示。由表3可知：当基体-参比灰度为190-60（试样编号为Con-60-190-170）时,检出的夹杂物数量与试样Con-60-200-170相同,而当基体-参比灰度为200-80（试样编号为Con-80-200-170）时,检出的夹杂物数量较少。 

协同改变基体-参比灰度和夹杂物检出阈值,夹杂物的统计结果如表4所示。由表4可知：当基体-参比灰度为180-40,判定阈值为0~150（试样编号为Con-40-180-150）时,或是当基体-参比灰度为210-50,判定阈值为175（试样编号为Con-50-210-175）时,两试样得到的统计结果与试样Con-60-200-170、Con-60-200-180均相同。 

由此可知,当改变基体-参比灰度时,夹杂物的灰度也会随之变化,只有将灰度及阈值进行协同设置,才可得到理想的结果。不同灰度和阈值下夹杂物SEM形貌如图3所示,夹杂物识别阈值需要恰好将夹杂物的灰度部分完全包裹,并将基体灰度部分排除在外。由图3可知：当灰度差异比约为3.7时,可以得到最佳的识别效果。过大的灰度差异比会导致识别时间过长,过小的灰度差异比会导致部分夹杂物无法被识别。推荐使用基体-参比灰度为200-60,夹杂物阈值为0~170的参数对夹杂物进行检测。 

图  3  不同灰度和阈值下夹杂物SEM形貌

除此之外,对于包含重元素（稀土元素、Nb元素、Sb元素等）夹杂物的试样,其部分夹杂物的亮度会高于基体Fe,需要设置两个以上的阈值进行夹杂物识别,传统的灰度与阈值设置通常识别的是平均原子序数低于基体Fe的夹杂物,而对于平均原子序数高于基体Fe的夹杂物,则需要对灰度与阈值进行调整,建议将基体Fe和参比Al的灰度减小,避免系统识别扫描图像的噪点,给重元素夹杂物识别留出空间。 

2.3   保护区设置对夹杂物统计结果的影响

为避免夹杂物跨过视场导致重复记录,因此需要设置保护区。将试样扫描的小方格进行内缩,根据设置保护区比例调整内缩区域尺寸（见图4）。设置保护区的范围越大,内缩尺寸也越大,单视场有效区域越小,对应的扫描视域数增大,扫描时间延长。 

图  4  无保护区视场和设置保护区视场示意

对帘线钢试样同一区域进行采集,设置保护区范围为0,10%,20%,30%,试样编号分别为Safe-0、Safe-10、Safe-20、Safe-30,对应保护区尺寸为0~75 μm,夹杂物的统计结果如表5所示。由表5可知：保护区设置前后,试样中夹杂物的数量比较稳定。因为试样夹杂物尺寸比较小,跨过视场边界可能性较低,保护区的加入对统计的结果影响很小。 

易切削钢试样中富含硫化锰等尺寸较大的夹杂物,因此必须对其设置保护区。设定保护区范围为0~30%,对应的保护区尺寸为0~75 μm,扫描面积为30 mm2。不同保护区设置下易切削钢中夹杂物统计结果如表6所示。由表6可知：当保护区尺寸小于37.5 μm时,夹杂物数量明显变多,因为当保护区设定过小时,保护区尺寸比夹杂物尺寸小,当超过保护区尺寸的夹杂物在视域边缘时,不会被保护区完全包裹住,而是延伸到下一个视域,导致部分跨视域大尺寸夹杂物仍被切为两个甚至多个小尺寸夹杂物；当保护区尺寸为37.5 μm时,夹杂物识别数量趋于稳定；进一步增大保护区尺寸,识别到的夹杂物数量几乎无变化,且当保护区尺寸过大时,相应扫描视域面积减小,扫描视域数量增多,导致检测时间延长。对比夹杂物尺寸和保护区尺寸,发现当保护区尺寸大于最大夹杂物尺寸的1/3时,即可将所有尺寸的夹杂物进行无遗漏统计。不同夹杂物统计系统一般都有类似功能,可根据不同系统中不同设定方法进行调整。 

3.   结论

（1）计算夹杂物被检测概率,可以得到合适的图像采集放大倍数和分辨率,当检测尺寸大于1 μm时,选择图像分辨率为512像素×512像素,放大倍数为221倍,夹杂物统计的效果最好。 

（2）基体-参比灰度和夹杂物识别阈值设置必须匹配,使用Al作为参比时,控制灰度差异比约为3.7,选择基体-参比的灰度为200-60,夹杂物识别阈值为0~170,夹杂物统计的效果最好。 

（3）试样中夹杂物尺寸比较小时,可不设置保护区,夹杂物尺寸较大时最好设置保护区,控制保护区尺寸大于最大夹杂物尺寸的1/3,夹杂物统计的效果最好。 

文章来源——材料与测试网