布氏硬度的图像测量法

　　1　引　言

　　材料的硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力,它是材料力学性能的一个重要性能指标之一,对于检验产品质量和确定合理的加工工艺是相当重要的。布氏硬度测量是所有硬度测量方法中压痕最大的一种试验法,它能反映出材料的综合性能,不受试样组织显微偏析及成分不均匀的影响,因而它是一种精度较高的硬度测量法,在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领域、实验室、计量部门和科研单位内广泛使用。

　　目前,布氏硬度一般采用布氏硬度计进行测量,测量人员通过使用读数显微镜测量压痕直径,从而可获得布氏硬度值。在对这种传统布氏硬度测量方法进行误差分析时发现,压痕直径的测量误差是影响硬度测量精度的主要因素。同时检定规程JJG147-91对压痕直径测量误差的要求为:对于直径10mm和5mm球压头压出的压痕,允许误差为±0. 002mm;对直径2. 5mm, 2mm, 1mm球压头压出的压痕,允许误差为±0. 001mm[1]。由此可见,测量中对压痕直径的测量精度要求很高。此外,在使用读数显微镜测量压痕直径时要严格遵守操作规程,需测得多组相互垂直方向上的压痕直径,测量值取其算术平均值。如稍有不慎,极有可能产生粗大误差,导致测量结果严重失真。因此,使用布氏硬度计测量布氏硬度时,对测量人员素质要求较高,同时其测量精度也受到很大限制。于计算机视觉的图像测量技术是近年来在测量领域中形成的新的测量技术。它以光学为基础,融光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术为一体,组成的光、机、电的综合测量系统。图像测量方法具有非接触、高速度、动态范围大、信息量丰富等诸多优点[2]。本文探讨了利用图像测量法进行布氏硬度测量的一种新的测量方法,它除具有图像测量法的全部优点外,还具有自动化程度高、人为误差小、抗噪声能力强的特点。

　　2　布氏硬度的图像测量法的基本原理

　　布氏硬度的测量是用一定直径D(一般为10mm)的淬火钢球或硬质合金球为压头,施以一定的载荷F(一般3000kg),将其压入材料表面,经规

定保持时间t(s)后卸除载荷,材料表面将残留压痕,测量压痕平均直径d(mm)。载荷F与其压痕球形表面积之比即为布氏硬度值,单位为N/mm2,其计算式为:

　　从式(3)可以看出,参数d(压痕平均直径)的测量是关键部分,于是我们采用CCD工业摄像机对压痕进行图像采集,将采集到的压痕图像输入计算机,并对其进行图像处理以获得较为理想的压痕轮廓图像;然后进行直径测量与标定,从而可利用式(3)计算出布氏硬度。该方法主要包括三个步骤:压痕图像处理、压痕直径测量、标定与布氏硬度计算。