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金属材料断口三维形貌检测与表征分析

作　者: 黄长辉
导　师: 邹文栋
学　校: 南昌航空大学
专　业: 物理电子学
关键词: 扫描白光干涉 合金断口 微观三维形貌 表征法
分类号: TG115.213
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


由于工艺失误或长期曝露在不利的外界因素(力、温度、湿度等)之下,机械构件的结构特性发生部分甚至整体的改变最后导致原有的机械功能失效,而机械构件表面形貌数据对失效机制的判断及分析提供直观有效的信息,因此我们有必要分析工件表面形貌。而在各种微表面形貌测量方法中,白光相移干涉术不仅能实现三维、微纳级精度的快速非接触测量,而且系统结构简单、成本较低。因此本文利用白光相移干涉术对金属材料断口三维形貌进行检测和分析。本文介绍了基于PZT微纳扫描定位装置的白光相移干涉测量系统,主要对光源、显微物镜、探测器CCD等器件进行了选定;并采用一种快速FFT分块算法改进PZT精密微纳扫描定位系统三维重建速率慢的缺点,实验表明新算法能较好地提高系统成像效率。其次采用白光扫描干涉术对30CrMnSiA合金疲劳与韧窝断口表面微观复杂形貌进行检测,并利用空间频域算法、快速FFT分块算法逐步完成了断口微观三维形貌高质量的重建。为了对三维形貌处理数据进行表征分析,文章通过2D-Motif表征法、三维分形表征法及3D-Motif表征法对重建出的三维形貌分别给出了2D-Motif评定结果、三维分形维数及3D-Motif评定结果,研究表明较之二维表征法,三维评定结果更能反映合金疲劳与韧窝断口表面微观形貌的三维实质;同时还发现对于疲劳及韧窝两种断口,三维分形法适用于该两种断口微观表面的粗糙度表示,而3D-Motif法则更适合表征韧窝断口,这为进一步结合材料力学性能定量分析微观金属断口产生机理提供帮助。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 表面微观形貌测量技术的发展历程及国内外研究现状  9-10
  1.2 微表面三维形貌检测的意义  10
  1.3 微表面三维形貌的测量方法  10-14
    1.3.1 机械探针式测量方法  11-12
    1.3.2 光学探针式测量方法  12-13
    1.3.3 扫描探针显微镜  13
    1.3.4 扫描电子显微镜  13-14
    1.3.5 其它光学轮廓检测方法  14
  1.4 微观表面形貌测量技术研究现状及发展趋势  14
  1.5 本论文的目的及内容  14-16
第2章 白光相移干涉显微测量系统设计  16-27
  2.1 白光相移干涉显微测量系统总体结构  16
  2.2 光源的选定  16-18
  2.3 显微物镜的选定  18
  2.4 探测器CCD的选定  18-19
  2.5 干涉光路的平衡设计  19-20
  2.6 干涉系统的光能计算  20-22
    2.6.1 光学系统中光能的损失  20-21
    2.6.2 干涉系统中光能阈值  21-22
  2.7 PZT微纳定位扫描系统的设计  22-26
    2.7.1 单片机系统设计  23-24
    2.7.2 驱动电源设计  24
    2.7.3 传感器及检测系统  24-25
    2.7.4 串口通信  25-26
  2.8 本章小结  26-27
第3章 快速FFT的分块算法实现  27-35
  3.1 引言  27
  3.2 算法原理  27-34
    3.2.1 一维FFT变换的分块矩阵法  27-31
    3.2.2 二维快速FFT变换的分块矩阵法  31-33
    3.2.3 三维快速FFT的分块变换算法  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章 表面微观形貌表征方法研究  35-47
  4.1 表面形貌二维表征方法—2D-Motif表征法  35-39
    4.1.1 2D-Motif的定义  35-36
    4.1.2 2D-Motif表征法的评定参数体系  36-37
    4.1.3 2D-Motif表征法的评定合并规则  37-38
    4.1.4 2D-Motif表征法与中线制表征法分析比较  38-39
  4.2 表面形貌三维表征方法  39-46
    4.2.1 3D-Motif表征法  39-42
    4.2.2 三维分形表征法  42-46
  4.3 本章小结  46-47
第5章 30CrMnSiA合金断口表面三维测量及表征分析  47-70
  5.1 整个干涉测量系统  47
  5.2 基于白光干涉术的测量算法  47-48
  5.3 白光相移干涉系统的三维测量步骤  48-50
  5.4 金属断口表面微观三维测量、重建及表征分析  50-69
    5.4.1 金属断口的产生及微观分类  50-54
    5.4.2 30CrMnSiA合金断口表面微观三维重建  54-57
    5.4.3 30CrMnSiA合金断口表征分析  57-69
  5.5 本章总结  69-70
第6章 工作总结与展望  70-71
  6.1 全文的工作总结  70
  6.2 论文的创新点  70
  6.3 后续工作的设想  70-71
参考文献  71-76
致谢  76-77
作者攻读硕士期间发表的学术论文  77-78

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属学（物理冶金） > 金属的分析试验（金属材料试验） > 物理试验法 > 金相分析（显微分析） > 金相显微分析
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