基于曲率变化的二维扫描电子显微镜（SEM）断裂形态量化方法在金属材料中的应用

《Materials Characterization》：Curvature-driven quantification of 2D SEM fracture morphology across metallic materials

　　

Jingsi Jiao

迪肯大学工程学院，吉朗，维多利亚州3220，澳大利亚

摘要

扫描电子显微镜（SEM）断裂表面的定量比较仍然具有挑战性，因为传统的断裂学分析主要依赖于定性解释，而已发表的图像在放大倍数、分辨率和视野范围上存在很大差异。本研究开发了一个基于尺度的几何框架，利用基于轮廓的曲率描述符来量化二维SEM图像中的断裂表面形态。从涵盖钢材、钛合金、镁合金和金属玻璃的十五项已发表研究中提取的表面轮廓，通过三种圆拟合曲率测量方法和一种基于转角的度量标准进行了分析。为了系统地研究不同成像尺度下描述符的行为，采用了两种控制尺度变化的手段：像素重采样和高斯尺度空间滤波。圆拟合曲率测量方法表现出一致的逆长度缩放关系，可以通过经验确定的幂律关系实现图像间的归一化；而基于转角的度量标准则显示出相对较弱的尺度依赖性。使用一组独立的未压缩SEM图像进行验证表明，观察到的趋势并非图像压缩或文档提取过程中的伪影，并且与先前报道的断裂形态转变一致。进一步的敏感性测试确认，处理参数的适度变化对提取的描述符影响有限。经过尺度归一化后，对文献数据集的比较分析再现了原始研究中报告的断裂表面特征，包括解理断裂与准解理断裂之间的转变、与氢相关的凹坑细化、三轴性驱动的形态变化以及由微观结构控制的韧性断裂。所提出的框架为利用现有图像数据集对SEM断裂表面进行定量和尺度一致的解释提供了一条实用途径。