布氏硬度壓痕計算機測量系統

第五婷婷

摘要：文章從傳統布氏硬度檢測方法入手，對目前存在的布氏硬度檢測方法進行介紹與說明，分析傳統方法的弊端，從而引入該行業目前推廣的新型檢測方法—基于計算機圖像識別技術的布氏硬度壓痕測量方法，該種新型測量方法能夠實現受檢產品布氏硬度測量的自動化、高精度、高重復性、可溯源性，達到實用化目的，最終實際應用于質量檢驗工作。

關鍵詞：布氏硬度 壓痕 CCD 計算機測量系統

中圖分類號：TG115.51 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0048-01

布氏硬度測量是所有硬度試驗中壓痕最大的一種試驗方法，試驗力最大可達3000kgf，壓痕不受試樣顯微組織偏析、晶粒粗大及成分不均勻的影響，能綜合反映出材料的硬度性能，能最準確地反映出鑄鐵、鑄鋼、鍛件等粗大晶粒材料的真實硬度，是一種通用的高精度的硬度試驗方法，在冶金、鍛造、鑄造、未經淬火鋼及有色金屬等工業領域中廣泛應用。

目前國內外布氏硬度測量通常使用的方法有3種：

1 傳統方法

通過光學顯微鏡，人工讀數，然后查表或計算得出布氏硬度測試值。目前，國內大約70%-80%還是采用此種比較落后的方法。該方法最大弊端是將個人主觀判斷誤差引入測量結果，因此，不同的操作員對同一壓痕會得出不同測量結果，甚至同一操作員對同一壓痕多次測量時測量結果也不相同。精度低，重復性差，工作過程檢驗員易視疲勞，效率低是該種傳統方法的缺點。優點是成本低，經濟節約，適用于工業現場等要求不高的場合。

2 測深法

隨著傳感器技術的革新和精度提高，近十年來，率先在國外出現測深法。該方法的原理是通過測量壓頭壓入被測材料的深度，換算面積，從而換算布氏硬度值；或者通過軟件擬合經驗數據，直接由測量深度與經驗數據庫比對出布氏硬度值。該方法具有顯著優點：快速，直接數顯，測試效率極高。但是，同時也存在很大的缺陷：非布氏原理測量，不具備溯源性，測量誤差相對較大，這一缺點限制了它的實際應用。因此，該方法只能用于一些要求快速測量，而對精度和溯源性要求不高的場合。在國外大約使用率約3%-8%，在國內不足1%。由于其不具備溯源性，軍工、質檢、研究院所根本不考慮。該技術大多數為國外企業掌握，產品價格昂貴，也限制了在普通用戶中的推廣應用。

3 計算機圖像分析系統

該方法是隨著計算機技術發展而出現的新技術，也是國內外競相積極投入研發的焦點。它克服了第二種方法不可溯源的本身缺陷，完全按照布氏硬度測量原理進行，可靠性、測量精度、測試效率都得到很大提高和改善。目前，國內也有部分研究和應用，但是仍然存在一些問題：目前國內普遍采用的都是CMOS成像，通過軟件放大，然后分析測量，不是真正的按照光學分辨率要求放大，實際分辨率不足則導致測量精度低，重復性差。CMOS成像也比CCD成像模糊，像素清晰度亮度較低；目前的軟件系統也穩定性不好，溯源性標定功能差。

也就是說，布氏硬度壓痕計算機測量系統已在該技術領域有所發展，但仍然存在一定的缺陷，并且應用范圍領域還不夠廣泛。綜上所述，以上3種布氏硬度測量方法均存在一些弊端，隨著新技術的出現與發展，為避免以上弊端，在該行業領域已出現了高分辨率、高精度的布氏硬度壓痕計算機測量系統，具體計算機系統工作流程為：通過軟件編程，實現圖像的采集、動態顯示、靜態抓拍、像素分析、硬度測量、運算、數據庫管理、試驗報告、壓痕圖像存檔、數據輸出等。具體流程圖見圖1。

該自動測量系統是在原硬件系統的基礎上通過計算機編程來搭建軟件系統，軟件系統主要完成以下功能：

（1）攝像頭圖像動態輸出。打開攝像頭，攝像機動態畫面可以實時顯示在測量界面上，測量者可以根據動態顯示畫面移動標準塊或被測工件，將壓痕區域圖像清晰地顯示在測量系統界面。

（2）攝像頭捕獲靜態顯示。系統可以根據測量者的操作，捕獲任意時段及任意位置圖像，對壓痕圖像提取效果將靜態顯示。

（3）像素尺寸標定。像素尺寸標定的目的是獲得每個像素的實際物理長度，系統可以自動提取刻線尺的刻度線，根據操作者輸入的刻度線間距，系統可自動計算出單位像素實際物理長度。

（4）壓痕邊緣自動識別。測量過程中，系統自動搜索壓痕圓形邊緣，并獲得壓痕的縱向和橫向像素寬度。

（5）壓痕邊緣手動干預。試樣表面千差萬別，需要人工進行干預，操作者可以用鼠標拖動標尺線，系統會隨著操作者的拖動實時同步自動計算壓痕直徑和硬度值，確保高精度。

（6）測量數據實時計算、顯示、管理。無論是標定和還是硬度測量，系統都可根據已有的參數和檢測條件計算出相應的結果并顯示在指定區域上，測量者可以根據實際的擬合或者檢測效果圖來判斷本次計算結果是否可以作為最終結果的參照，如果不行，可以直接刪除本次測量數據，重新進行檢測。所有測試結果自動存檔，以供隨時查閱，甚至可以調出重新測量。

測量軟件所具有的功能如圖2所示。

因此，通過CCD對壓痕系統高分辨率成像，利用計算機程序識別布氏硬度壓痕圖像的高精度測量系統，能夠完成硬度測量與運算，準確、快速、可靠，排除傳統方式人眼光學顯微鏡讀數及查表計算帶來的疲勞、易錯、重復性差的弊端，是國際上布氏硬度測量的最新技術、最高水平和未來的發展必然趨勢。

參考文獻

[1]GB/T 231.1-2009，金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法[S].中國標準出版社，2010.

[2]GB/T 231.2-2012，金屬材料布氏硬度試驗第2部分：硬度計的檢驗與校準[S].中國標準出版社，2013.

[3]GB/T 231.3-2012，金屬材料布氏硬度試驗第3部分：標準硬度塊的標定[S].中國標準出版社，2013.