作品名稱：晶界鋸齒化表征軟件
學校名稱：江蘇海洋大學
參賽隊伍：無悔機械
隊伍編號：207530
參賽學生：朱宸 何毅楊 蔣鎮
指導老師：馮文
投票日期：2024年10月08日 00:00->2024年12月05日 15:00
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開發背景
晶界鋸齒化是指金屬材料經過適當的處理后材料中的晶界發生變化而呈現鋸齒狀特征，這種現象最早于1976年被作為鎳基合金的晶界強化機制而提出，主要用于高溫部件的材料研究中。晶界鋸齒化的形成機理主要與晶格失配、應變、第二項析出和能量降低相關。實現晶界鋸齒化目前主要通過控制熱處理工藝，如固溶冷卻速率，以及通過控制γ'相的析出行為來控制鋸齒化的形成。金屬材料在發生鋸齒化后其性能會發生明顯改變：鋸齒狀晶界能夠有效阻止晶界上裂紋孔洞的形核與長大，同時減少應力集中并增加晶界滑移距離，從而降低材料在高溫下晶界的移動速率，并且提高材料的蠕變抵抗能力。因此，晶界鋸齒化對提升金屬材料的高溫力學性能具有重要的意義，尤其是提升蠕變性能和抗疲勞裂紋擴展能力方面。
編寫說明
本軟件是用Python語言編寫，使用Tkinter庫編寫可視化界面，使用PIL和OpenCV庫進行圖像處理，使用Matplotlib庫進行統計圖的繪制，使用Threading進行多線程任務的協調管理，使用Pyinstaller對軟件整體進行打包和配置。
實現功能
晶界鋸齒化表征軟件的主要功能是圖像前處理及晶界網絡提取，單段晶界拆分與采樣，晶界鋸齒化指數計算以及后續的統計，實現了從輸入圖像到輸出各段晶界鋸齒化指數結果。經過一些列處理及計算后，將晶界鋸齒化指數標注在對應晶界網絡位置的鋸齒化指數標注圖。軟件在基于FFT的晶界鋸齒化指數計算方法的基礎上實現了對大量晶界快速且精準的統計分析，相較于傳統的手工測量波長振幅更加精確客觀，相較于基于FFT的晶界鋸齒化指數計算方法更加快速，同時可以對圖像內大量晶界進行自動化的計算與統計。晶界鋸齒化表征軟件進行的主要表征過程分為圖像采集、圖像前處理、濾雜處理、晶界網絡提取、拆分單段晶界、晶界鋸齒化表征以及后續的數據統計七個部分。實現了從圖像中獲取晶界信息后進行鋸齒化指數計算并統計結果的功能。
圖像前處理主要用于凸顯晶界形貌特征以及對晶界部分進行標準化，主要包括如下四個部分：
（1）濾波處理：主要用于降噪以及平滑圖像，減輕噪點對圖像的影響；
（2）單通道處理：使彩色的圖像轉變為單通道，用于減少軟件計算量；
（3）直方均衡化：用于調整明暗對比度，使圖像更加清晰；
（4）標準化：使晶界與非晶界像素變為255和0。
經過圖像前處理部分的操作獲得了較為清晰且二值化后的晶界形貌，為后續連通域檢測和形態學操作創造條件。
濾雜處理有兩個部分，其一是通過連通域檢測分割圖像，并根據每一區域的連通域面積對區域進行篩選，目的是除去噪點以及離主要晶界部分較遠的小段無效晶界；其二是通過形態學操作對晶界區域進行調整，目的是減少毛刺，使晶界更加均勻，目的是在細化時減少產生不必要的交點。
晶界網絡提取主要對濾雜后的二值化圖像進行了細化處理。三叉界角指的是晶界網絡中晶界的交點，由于經過了細化處理，目前晶界網絡中的寬度均為1像素，標準化后可將晶界網絡當作只包含0或1的矩陣。查找三叉界角使用了3x3的卷積核，卷積核中心點為0，其余8個點為1。當卷積核覆蓋圖像中的一個交點時，卷積核的每個非零元素（即1）都會與交點周圍的像素進行乘法操作。由于交點處至少有三個方向的網絡線相交，卷積核至少會覆蓋到三個1的像素值。因此，卷積結果將至少為3，這表明該位置是一個交點。單段晶界拆分是根據三叉界角檢測結果中交點位置所進行的，將交點位置設為0后，使用連通域分割晶界網絡，根據其每個連通域的面積做晶界長度統計分布。此處晶界網絡寬度均為1像素，因此連通域面積可近似作為晶界長度。根據長度篩選后的晶界將會被截取下來，重新分別繪制在單張圖像中并保存下來用于鋸齒化指數計算。晶界鋸齒化指數計算使用了基于FFT的鋸齒化指數計算方法。晶界鋸齒化表征軟件使用了較新的基于FFT的鋸齒化指數計算方法，結合視覺處理和卷積運算設計了一套快速精準，且可以大量計算和統計鋸齒化特征的表征方法，并為此方法編寫了此軟件，目前市面上并無同類型軟件。軟件編寫時預留可調參數范圍較大，兼容性較好，使用視覺處理的方法使得用于表征的圖像并不僅局限于某一種圖像。目前本軟件在奧氏體鋼材料的鋸齒化研究中運行穩定，數據可靠。打包軟件功能完整，可以流暢運行并正常進行數據統計。
