Ключевым процессом контроля качества в металлографической лаборатории является определение размера зерен в металлах и сплавах. Большинство металлов имеют кристаллическую структуру, содержащую границы зерен. Во время обработки атомы в каждом растущем зерне металла или сплава располагаются в определенном порядке, основанном на кристаллической структуре материала.
Рост зерен влияет друг на друга. Поскольку известно, что меньший размер зерна обычно улучшает механические свойства материала, важно контролировать состав сплава и его обработку, чтобы достичь желаемого размера зерна.
Величина зерна определяется следующими методами:
- визуального сравнения видимых под микроскопом зерен с эталонами шкал, приведенных в обязательном приложении 2, с определением номера зерна;
- подсчета количества зерен, приходящихся на единицу поверхности шлифа, с определением среднего диаметра и средней площади зерна;
- подсчета пересечений границ зерен отрезками прямых с определением среднего условного диаметра в случае равноосных зерен, количества зерен в 1 мм в случае неравноосных зерен;
- измерения длин хорд под микроскопом или с использованием микрофотографий с определением относительной доли зерен определенного размера;
Однако участие оператора в этих методах расчета размера зерна приводит к ошибочным, неповторимым и невоспроизводимым результатам. Кроме того, ручной ввод результатов в компьютерный отчет или электронную таблицу еще больше увеличивает вероятность ошибок.
На сегодняшний день для анализа структуры металлов специалисты пользуются современными математическими и компьютерными методами обработки изображений.
К преимуществам компьютерного способа регистрации изображений можно отнести: автоматическое распознавание границ зерен, оценивание среднего размера зерна по найденному числу зерен и площади, которую они занимают.
С помощью специальных инструментов можно реконструировать плохо протравленные границы, исключить из анализа мелкие выделения второй фазы, распознанные как зерна или занимающие слишком малую площадь, рассчитать номер зерна «по скелету», присоединив к телу зерна пограничные выделения перлита.
На рисунке 1 представлены примеры подсчета количества зерен методикой ГОСТ (а) и пример количественной обработки структуры методом компьютерного анализа.
Рисунок 1 - Подсчет количества зерен методикой ГОСТ (а) и пример количественной обработки структуры методом компьютерного анализа
Расчет количества зерен производится по следующей форме:
где n1 – количество зерен, пересеченных ее границами.
Данный алгоритм является неточен в части анализа количества зерен на границе изображения (n2). Площадь анализируемой фигуры выбирается заранее и составляет 0,5 мм2.
Приведенная выше формула предполагает, что заранее очерченным кругом отсекается половина зерен. По данному методу с укрупнением структуры ошибка определения размера зерна возрастает.
По ГОСТу анализ структуры основан на статистических методах анализа по принципу: от общего изображения структуры к частному (номеру зерна) путем усреднения.
В свою очередь, при компьютерном методе получают характеристику структуры на основе анализа каждого зерна (рис. 1, б). С помощью компьютерных программ имеется возможность анализировать площадь, занятую определенной структурой, напрямую, без приближенных расчетов, а также автоматического создания файла-отчета, который может быть оформлен в строгом соответствии с требованиями ГОСТ.
В настоящее время существует программное обеспечение для металлографии:
Анализатор изображений "Thixomet" , позволяющая проводить оценку среднего размера зерна по ГОСТ 5639-82, ГОСТ 21073-75, ASTM E1382, ASTM E112, DIN 50 601.
Данные методики позволяют производить автоматическое распознавание границ зерен, оценивать средний размер зерна по найденному числу зерен и площади, которую они занимают. С помощью специальных инструментов можно реконструировать плохо протравленные границы, исключить из анализа мелкие выделения второй фазы, распознанные как зерна или занимающие слишком малую площадь, рассчитать номер зерна «по скелету», присоединив к телу зерна пограничные выделения перлита.
Заключение
Современное программное обеспечение для анализа изображений микроскопов для материаловедения сводит к минимуму вмешательство человека в анализ размера зерен, обеспечивая, таким образом, точные и воспроизводимые результаты. Доступно множество пакетов программного обеспечения для выполнения анализа зерна в соответствии с международными стандартами.
Помимо минимальных усилий, связанных с внедрением, эти программные пакеты могут автоматически создавать отчеты в зависимости от данных анализа и предоставлять интегрированную базу данных для архивирования для использования в будущем.