本發(fā)明屬于材料表征技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的裝置及重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，對(duì)材料組織形貌的觀察與表征是微觀組織結(jié)構(gòu)表征的重要一環(huán)，是評(píng)估材料性能的重要手段之一。一直以來(lái)，金相、掃描電鏡，甚至透射電鏡和原子力顯微鏡等，都是從二維層面上觀察和分析材料的組織形貌。但是，組織形貌的有些信息是二維表征無(wú)法觀察到的，譬如鑄鐵中石墨的三維連通性，鋁合金中凝固析出相的空間網(wǎng)絡(luò)特征等。隨著各種材料研究的深入，其微觀組織形貌的三維空間結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到材料研究者的關(guān)注。

通過(guò)萃取或者深腐蝕的方法，然后借助大景深觀測(cè)手段，諸如體視顯微鏡或者掃描電鏡手段，可初步觀察材料微觀組織形貌的空間結(jié)構(gòu)，但受限于觀察手段的景深，只能算比較初級(jí)的材料三維表征手段。此類方法很難避免對(duì)材料中各組成和相整體性的破壞，得到的結(jié)果也只能用于定性分析。x射線三維掃描（xrt）技術(shù)一般用來(lái)研究礦石結(jié)構(gòu)、空洞、復(fù)合材料中第二相等，可進(jìn)行非破壞性定量測(cè)試，近年來(lái)作為研究材料中組織形貌的三維空間結(jié)構(gòu)的有效方法逐漸被材料學(xué)者開(kāi)始使用。但此種方法也有缺陷，就是對(duì)原子序數(shù)比較接近的相難以區(qū)分，并且受分辨率和試樣尺寸的限制較大。同步輻射和xrt類似，雖然分析結(jié)果更精確，但成本也非常高昂。聚焦離子束（fib）切片加三維重構(gòu)，雖然可以比較精確實(shí)現(xiàn)材料微觀組織三維形態(tài)表征，但分析范圍在微米級(jí)別，而且成本高昂。

連續(xù)金相切片加上后續(xù)三維重構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)比較精確的材料微觀組織三維形態(tài)表征，該方法需要金相顯微鏡和照相機(jī)，使用時(shí)，先對(duì)試樣進(jìn)行拋光，然后將其置于金相顯微鏡的物方，照相機(jī)拍照，然后再將試樣拿去進(jìn)行拋光，重復(fù)上述過(guò)程，即可完成。但這種方法耗時(shí)耗力，通常完成一次重構(gòu)平均需要一周左右，而且跟操作者的熟練程度關(guān)系很大，效率低。而且在此過(guò)程中，拋光的厚度無(wú)法控制，導(dǎo)致精確度不高，直接影響三維形貌的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明要提供一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的裝置及重構(gòu)方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的耗時(shí)耗力和效率低的問(wèn)題。

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的裝置，包括金相顯微鏡和照相機(jī)，其特征在于：還包括試樣夾持組件和拋光組件，所述金相顯微鏡倒置設(shè)置，照相機(jī)為自動(dòng)對(duì)焦照相機(jī)，試樣加持組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐桿和其端部活動(dòng)設(shè)置的夾具，拋光組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐架和其上水平設(shè)置的拋光盤(pán)；所述夾具上下開(kāi)口，其橫截面形狀是非圓形，其內(nèi)夾持有橫截面是非圓形的試樣，試樣的上端面上設(shè)置有配重塊，夾具橫截面上至少一個(gè)徑向尺寸小于配重塊的橫截面的徑向尺寸，試樣的下端面與拋光盤(pán)的盤(pán)面位于一個(gè)水平面上。

還包括試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。

所述配重塊通過(guò)粘結(jié)或螺釘方式與試樣連接。

所述支撐桿和支撐架的轉(zhuǎn)動(dòng)端可上下活動(dòng)地設(shè)置于立柱上。

一種使用所述裝置重構(gòu)材料三維組織形貌的方法，包括下述的制備步驟：

1）、根據(jù)筒形試樣夾具形狀加工試樣，并與夾具形成間隙配合裝配，試樣的高度高于夾具的高度，試樣可在夾具內(nèi)上下移動(dòng)，但不能水平移動(dòng)；

2）、第一張金相照片采用手動(dòng)拋光，然后將拋光好的試樣與配重塊進(jìn)行粘接或者螺釘固定，將試樣裝入夾具，其下端落于拋光盤(pán)的盤(pán)面上；

3）、在拋光盤(pán)上拋光固定時(shí)間后，移開(kāi)拋光盤(pán)，利用試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將試樣下移至倒置金相顯微鏡上；

4）、利用照相機(jī)拍攝金相照片；

5）、利用試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)上移試樣，繼續(xù)拋光，重復(fù)3）4）步驟，直至獲得足夠數(shù)量的金相照片；

6）、通過(guò)avizo、imagepro或者3dslicer軟件對(duì)序列二維顯微金相進(jìn)行三維重建，得到材料的顯微結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)圖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、適用范圍廣：能夠進(jìn)行金相制備的所有材料，包括金屬和非金屬材料。

2、本發(fā)明可以大大減小連續(xù)金相切片技術(shù)重構(gòu)材料三維組織形貌過(guò)程中的人力和物力消耗。

3、在本發(fā)明中，拋光位置固定，可通過(guò)拋光時(shí)間固定拋光厚度，自動(dòng)連續(xù)在同一位置獲得金相照片。

4、采用固定配重保證拋光壓力大小，通過(guò)時(shí)間精確控制每張金相照片的拋光厚度，根據(jù)材料不同，厚度偏差可以控制在0.1-0.5μm；試樣只在高度方向一個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，平面位置偏差可以控制在5μm以內(nèi)。首張金相照片合格后，剩余金相照片可連續(xù)自動(dòng)高效率完成。

附圖說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是鋁合金微觀組織形貌三維結(jié)構(gòu)。

圖中：1-金相顯微鏡，2-照相機(jī)，3-支撐桿，4-夾具，5-支撐架，6-拋光盤(pán)，7-試樣，8-配重塊，9-立柱。

具體實(shí)施方式：

下面講解和附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明：

參見(jiàn)圖1，一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的裝置，包括金相顯微鏡和照相機(jī)，還包括試樣夾持組件和拋光組件，所述金相顯微鏡倒置設(shè)置，照相機(jī)為自動(dòng)對(duì)焦照相機(jī)，試樣加持組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐桿和其端部活動(dòng)設(shè)置的夾具，拋光組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐架和其上水平設(shè)置的拋光盤(pán)；所述夾具上下開(kāi)口，其橫截面形狀是非圓形，其內(nèi)夾持有橫截面是非圓形的試樣，試樣的上端面上設(shè)置有配重塊，夾具橫截面上至少一個(gè)徑向尺寸小于配重塊的橫截面的徑向尺寸，試樣的下端面與拋光盤(pán)的盤(pán)面位于一個(gè)水平面上。

還包括試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。

所述配重塊通過(guò)粘結(jié)或螺釘方式與試樣連接。

所述支撐桿和支撐架的轉(zhuǎn)動(dòng)端可上下活動(dòng)地設(shè)置于立柱上。

本方案中，所說(shuō)的試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)只要能夠夾持樣品并完成上下移動(dòng)的功能即可。

實(shí)施例1：一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的重構(gòu)方法，本實(shí)施例中，所用試樣時(shí)鋁合金材料，其具體操作如下：

一、根據(jù)筒形試樣夾具形狀加工試樣，并與夾具形成間隙配合裝配，試樣的高度高于夾具的高度，試樣可在筒形夾具內(nèi)上下移動(dòng)，但不能水平移動(dòng)；

二、第一張金相照片采用手動(dòng)拋光，然后將拋光好的試樣與配重進(jìn)行粘接或者螺釘固定，將試樣裝入筒形夾具，夾具與試樣為間隙配合，這樣在配重的壓力作用下，試樣的下端自由落于拋光盤(pán)的盤(pán)面上；

三、在拋光盤(pán)上拋光固定時(shí)間后，移開(kāi)拋光盤(pán)，利用試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)將試樣下移至倒置金相顯微鏡上；

四、利用照相機(jī)拍攝金相照片；

五、利用試樣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)上移試樣，繼續(xù)拋光，重復(fù)（3）（4）步驟，直至獲得足夠數(shù)量的金相照片；

六、通過(guò)avizo、imagepro或者3dslicer軟件對(duì)序列二維顯微金相進(jìn)行三維重建，得到材料的顯微結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)圖。

參見(jiàn)圖2：這是通過(guò)本發(fā)明方案得到的兩個(gè)鋁合金微觀組織形貌三維結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)過(guò)程一般需要5-8小時(shí)，甚至更短，充分節(jié)約了時(shí)間，減輕了人工的勞動(dòng)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于材料表征技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高效重構(gòu)材料三維組織形貌的裝置及重構(gòu)方法。其解決的現(xiàn)有技術(shù)存在的耗時(shí)耗力和效率低的問(wèn)題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括金相顯微鏡、照相機(jī)、試樣夾持組件和拋光組件，所述金相顯微鏡倒置設(shè)置，照相機(jī)為自動(dòng)對(duì)焦照相機(jī)，試樣加持組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐桿和其端部活動(dòng)設(shè)置的夾具，拋光組件包括可在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐架和其上水平設(shè)置的拋光盤(pán)；所述夾具上下開(kāi)口，其橫截面形狀是非圓形，其內(nèi)夾持有橫截面是非圓形的試樣，試樣的上端面上設(shè)置有配重塊，夾具橫截面上至少一個(gè)徑向尺寸小于配重塊的橫截面的徑向尺寸，試樣的下端面與拋光盤(pán)的盤(pán)面位于一個(gè)水平面上。

技術(shù)研發(fā)人員：馬志軍;郭永春;高培虎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.08.21
技術(shù)公布日：2017.11.03