Определение геометрических параметров графитовых включений в микроструктуре серых чугунов методом автоматического анализа изображений ImageExpertPro 3

Определение геометрических параметров графитовых включений в микроструктуре серых чугунов методом автоматического анализа изображений ImageExpertPro 3

Содержание

Введение

. Металлография

Количественная металлография

Магнитная металлография

Стереометрическая металлография

. Автоматизированные анализаторы изображений

. Анализаторы изображений SIAMS

. Влияние характеристик графита на свойства чугуна

.1 Графит

.2 Чугуны

. Практическая часть

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

В моей курсовой работе можно выделить несколько целей:

Основной целью этой работы является исследование зависимости параметра формы Пф = Вытянутость/Дэкв.площади от размера графитовых включений.

Второй немаловажной целью является освоение и закрепление пройденного материала по предмету «Методы исследования материалов и процессов».

Последняя цель - это развить навыки использования компьютерных методов работы и исследований.

Чтобы достичь эти цели необходимо: во-первых, проанализировать литературу по данной теме, произвести моделирование начального изображения для того чтобы привести изображение к готовому варианту, чтобы снять с него параметры; во-вторых, необходимо снять с него необходимые расчеты заданных статистических характеристик включений с помощью ААИ, в моем случае вытянутость и диаметр; в-третьих произвести статистическую обработку полученных результатов в частности определить ширину доверительного интервала, погрешность, дальше представить полученные данные и данные полученные при помощи статистической обработки в виде графика. Обработать эти графики и выявить зависимость (если она есть).

анализатор изображение графит геометрический

1. Металлография

Металлография получила свое развитие около 200 лет тому назад. Первые опыты предпринял Реомюр (1683-1757 гг.). Путем травления он распознал различные сорта стали. Макроструктурные выявления он осуществлял без оптических вспомогательных средств. Он описал в 1774 г.: «Травление оказалось пригодным средством распознавать различные сорта железа и сталей по твердости, плотности и равномерности или неравномерности структуры»

В России первые металлографические исследования железа и его сплавов были проведены Аносовым П. П. (1799-1851 гг.). Работая на Златоустовском металлургическом заводе (1830-1835 гг.), П. П. Аносов, применивший микроскоп с целью изучения структуры стали и её изменений после ковки и термообработки, установил существование связи между свойствами стали и ее строением. Поэтому именно эти годы можно считать началом зарождения металлографии в России. В 60-х годах XIX века Видманштеттен и Сорби применили микроскоп для исследования строения железа метеоритов.

Черная металлургия является преимущественной отраслью развития экономики. Вот уже много лет Уральский регион занимает лидирующее место по выплавке чугуна и стали. Одним из основных течений развития черной металлургии является повышение качества продукции, что позволяет удовлетворить потребности в металле при меньших объемах производства. И все равно потребность страны в металле возрастает с каждым днем. Огромные обороты набирает также экспорт металлургической продукции. Дальнейшее увеличение производства черных металлов и их более разумное использование являются непременными условиями развития экономики Уральского региона.

Постоянное увеличение требований, предъявляемых к качеству черных металлов разных групп и классов, побуждает необходимость разработки комплексной системы контроля качества продукции. Продукция металлургии проходит комплексную проверку в заводской лаборатории по многим видам контроля.

Особое внимание привлекает металлография как наука о кристаллической структуре металлов и сплавов, видимой невооруженным глазом и с помощью микроскопа, являющейся наиболее информативной, и которая определяет необходимость проведения дальнейшего контроля продукции.

В последнее время одной из самых основных проблем стала - шлаковая, как одна из основных задач современной металлургии. Практическая значимость вопросов о неметаллических включениях в черных металлах происходит из того, что этими включениями во многом определяется качество получаемой продукции.

Задачу улучшения качества металлопродукции невозможно решить без информации о структуре металла. Объективную оценку качества структуры можно получить только методами количественной металлографии, основой которой является стереология.

Металлография - течение в металловедении <#"809707.files/image001.gif">

Классификации графита по форме

В зависимости от формы различают графит :

) пластинчатый чугун),

) вермикулярный <#"809707.files/image002.gif">

Рис. 2. Структурная диаграмма:

- белые чугуны; 2 - половинчатые чугуны; 3, 4, 5 - серые чугуны на перлитной, феррито-перлитной и ферритной основе соответственно

Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.

Классификация серых чугунов

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

чугун с пластинчатым графитом;

чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

чугун с вермикулярным графитом.

Рис. 3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включений.

Рис. 4. Различные формы графита в чугуне:

а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

Чугуны с шаровидным графитом как конструкционный материал

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом или ВЧШГ - это конструкционный материал, обладающий высокими прочностными свойствами и хорошими эксплуатационными характеристиками. Отличительной особенностью рассматриваемого чугуна является весьма компактная, почти шаровидная форма включений графита, имеющая наименьшее отношение поверхности к объему и в наименьшей степени ослабляющая рабочее сечение отливки. Кроме того, шаровидная форма включений графита не оказывает такого сильного надрезывающего действия на металлическую основу, как пластинчатая форма, и способствует уменьшению концентрации напряжений вокруг включений графита.

Второй отличительной особенностью чугуна с шаровидным графитом является то, что в нем можно в широких пределах изменять структуру металлической основы. Выбирая соответствующий состав исходного чугуна, применяя надлежащую технологию производства и соответствующие методы термической обработки, можно получать чугун с различной структурой металлической матрицы (перлитной, перлито-ферритной, феррито-перлитной, ферритной, сорбитной, мартенситной, аустенитной), а, следовательно, и с различными физическими, прочностными, эксплуатационными и технологическими свойствами.

В зависимости от структуры металлической матрицы могут быть получены различные показатели перечисленных свойств. Так, например, перлитная структура характеризуется высокими показателями предела прочности при растяжении и сравнительно низкими показателями по удлинению. Чугун с перлитной структурой обладает высокой износостойкостью. Ферритная структура характеризуется высокими показателями относительного удлинения и несколько пониженными показателями по пределу прочности при растяжении.

Шаровидная форма включений графита и возможность варьировать структурой металлической основы в широких пределах позволили придать чугуну весьма высокие прочностные и эксплуатационные свойства, недостижимые ранее в литом состоянии ни в одном из существующих видов чугуна.

Чугун с шаровидным графитом обладает высокими значениями пределов прочности при растяжении, сжатии и изгибе, четко выраженным пределом текучести, заметным удлинением в литом состоянии и высоким удлинением после отжига, достаточно высокой ударной вязкостью после термической обработки и т. п. Он также обладает весьма удовлетворительными литейными свойствами (хорошей жидкотекучестью, малой линейной усадкой, незначительной склонностью к образованию горячих трещин и т. п.), хорошо поддается механической обработке, может подвергаться сварке, заварке литейных дефектов, автогенной резке и т. п. Его эксплуатационные свойства также положительны - он обладает высокой износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами, высокой жаростойкостью (при легировании алюминием или кремнием).

Перечисленные положительные свойства чугуна с шаровидным графитом позволяют использовать его для изготовления деталей ответственного назначения в целях повышения качества, надежности и долговечности машин и механизмов.

Вывод:

Исследование микрошлифов металлов целиком сводится к анализу и интерпретации их изображений, в связи с чем представляется актуальным создание автоматизированной системы обработки изображений микрошлифов. От совершенствования средств и методов автоматизированного анализа изображений зависит достоверность и объективность решения задач контроля и управления технологическими процессами обработки металлов.

5. Практическая часть

Задача: исследовать зависимость параметра формы Пф = Вытянутость/Дэкв.площади от минимального размера графитовых включений.

Для выполнения металлографических исследований необходимы специально подготовленные образцы - металлографические шлифы. Изготовление образцов для оптической микроскопии включает следующие операции: вырезка образца, шлифование, полирование, травление (при необходимости). Место вырезки выбирают так, чтобы образец был типичен для данной детали. При неоднородной структуре образцы вырезают из каждой характерной зоны. Исследования микроструктуры этих образцов проводят с помощью микроскопов, работающих в отраженном свете. Полученный результат фиксируется с помощью цифровой камеры. После проведения всех необходимых операции можно преступить к обработке изображения.

Рис. 5. Исходное изображение

Подготовка изображения

С помощью тональной коррекции подавили отдельные цветовые составляющие на изображении, чтобы это сделать мы изменили: яркость-62, контрастность-83, гамма-1,5 (рис.6).

Следующим шагом произвел бинаризацию изображения, для того сделать рисунок черно-белым. Все точки, значения, интенсивности которых не соответствуют заданному уровню стали черными, а остальные белыми(рис.7)

Следующим шагом произвел замыкание, для того чтобы соединить разрывы элементов структуры. Затем произвел удаление пор. Этот фильтр позволяет удалить замкнутые поры внутри объекта (рис.8).

Последним шагом сделал фильтр удаление граничных объектов. Этот фильтр служит для удаления граничных объектов активного цвета (рис.9).

Рис.6. изображение после тональной коррекции.

Рис.7. изображение после бинаризации.

Рис.8. изображение после фильтра замыкание и удаление пор.

Рис.9. изображение после фильтра удаление граничных объектов.

Исследование готового изображения

Масштаб 1:0,701 мкм

Всего измерении: 1090

Минимальный размер = 2

Максимальный размер = 2879

Шаг = (lgmax - lg min)/8 = (lg2879 - lg2)/8 = (7,965 - 0,693)/8 = 0,909

ln

ln =0.693+0.909=1.602   (группа 2 - зеленый цвет)= 2.511   (группа 3 - желтый цвет)= 3,42   (группа 4 -синий цвет) = 4,329   (группа 5 - красный цвет) = 5.238   (группа 6 - оранжевый цвет) = 6,147   (группа 7 -розовый цвет) = 7,056   (группа 8 - фиолетовый цвет) = 7,956   (группа 9 - болотный цвет)

Графитовые включения разбитые на 9 групп

Все графитовые включения были разбиты по размерам площадей на 9 групп.

В 1 группе включения с площадью 0,909 отсутствуют, так как минимальная площадь включений 2 (приложение 1).

Во 2 группе графитовые включения с площадью до 4,909 имеются и они выделены зеленым цветом, но они очень малы и из-за этого на рисунке их плохо видно, чтобы их увидеть пришлось увеличивать рисунок (приложение 2).

В 3 группе графитовые включения с площадью от 4,909 до 12,11 присутствуют, они выделены желтым цветом. В 4 группе включения с площадью от12,11 до 29,87 выделены синим цветом. Их как и 2 группу нельзя рассмотреть невооруженным взглядом из-за этого пришлось их также увеличивать ( соответственно приложение 3 и приложение 4).

В 5 группе гр. вкл. с площадью от 29,87 до 73,68 выделены красным. В ней как и во всех последующих, вкл. с соответственным цветом хорошо видны (приложение 5).

В 6 группе вкл. с площадью от 73,68 до 181,75 выделены оранжевым (приложение 6).

В 7 группе вкл. с площадью от 181,75 до 448,32 выделены розовым цветом (приложение 7).

В 8 группе вкл. с площадью от 448,32 до 1105,86 выделены фиолетовым цветом (приложение 8).

В 9 группе вкл. с площадью от 1105,32 до 2703,52 выделены болотным цветом (приложение 9).

По данным, которые были получены в ходе работы, проводились расчеты. Были найдены параметры для вытянутости и для диаметра, ни приведены в таблице 1 и в таблице 2:

Таблица 1 с вычислениями

Таблица 2 с вычислениями

Зависимости параметра формы (Пф) от площади показаны на графике 1 и 2:

График 1(параметр+-погрешность)

График 2(параметр+-доверительный интервал)

Выводы

Проанализировав график зависимости параметра формы от минимального размера графитовых включений можно заметить, что с 1-5 точку зависимость резко уменьшается, минимальный размера графитовых включений на данном участке составляет 0,909-73,68. Параметр формы на данных участках имеет значение 0,07-0,05. Параметр формы на данном участке уменьшился в 1,4 раз. Данные по этим точкам представлены в приложениях с 1 по 5. С 5 по 8 участок замечено плавное уменьшение параметра формы, его значения находятся в области от 0,05 до 0,02. На этом участке параметр формы уменьшился в 2,5 раза, эти данные говорят нам о том что по форме данные включения напоминают кляксы, в этом можно убедиться, взглянув на рисунок с 11 по 13. Их количество не велико, в этом можно удостовериться, взглянув на последние три гистограммы распределения в приложениях 5-7. Минимальный параметр формы точке 8 равен 0,024, а максимальный в точке 1 он равен 0,076. Параметр формы уменьшился в 3,16 раз.

Анализируя оба графика можно сказать что исследования проводились с высокой точностью. На графиках видно что погрешность и доверительный интервал очень малы. Графики сходятся в последних точках, поскольку в приложении 9. Еще что с ростом графитовых включении возрастает погрешность. В целом, можно увидеть то, что включений с маленьким диаметром больше, чем включений с большим диаметром. На данных графиках в промежутке 7-8 заметно сильное отдаление данных графиков от основной линии. Значение доверительного интервала в данной точке 0,030,003, а значение погрешности равно 0,03 Можно сказать что Параметр формы Вытянутость/Dэкв.пл. зависит от минимального размера учитываемых графитовых включении.

Программу ImageExpert Pro 3 могу охарактеризовать как хорошую программу для анализа изображений микроструктур. Она имеет удобный интерфейс с различными широкими функциями. Позволяет делать достаточно точные измерения, от чего в свою очередь зависит результат. Но в ходе работы я так же столкнулся с его недостатками. При выводе результатов программа почему- то не всегда указывала количество вычислении, которая в свою очередь нам было необходима.

Общий вывод

Проанализировав все вышеприведенные данные я полагаю что зависимость между параметром формы Пф = Вытянутость/Дэкв.площади и минимальным размером графитных включений есть, но она не линейна, а имеет сложный характер. График данной зависимости можно разбить на 2 участка с 1 по 5 точку и с 5 по 8 точку. На данных участках значение параметра формы Пф = Вытянутость/Дэкв.площади изменяется по разному, на первом участке уменьшение параметра формы происходит в 1,4 раза, а на втором в 2,5 раза. Это говорит о том что параметр формы изменяется не пропорционально, и каждый из данных участков представляется интересным для дальнейшего изучения.

Список литературы

Панов А.Г. Исследование микроструктуры методами автоматического анализа изображения ImageExpert Pro 3 и ImageExpert Sample 2: Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Методы исследования материалов и процессов". - Наб.Челны: ИНЭКА, 2009

Панов А. Г. Методы исследования материалов и процессов: Методические указания на курсовое проектирование. - Наб.Челны: ИНЭКА, 2009

Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. - М: «Металлургия», 1976

Степанова Н. Н. Методы исследования материалов и процессов. - Екатеренбург: УГПУ, 2006

Салтыков С.А. «Стереометрическая металлография»

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

группа: =0,909

Рис. 6. Графитовых включений нет

Всего измерений 1090

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

группа:

Рис.7. Графитовые включения выделены зеленым цветом.

Рис.7.1. увеличенное графитовое включение.

Всего измерений 1077

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

группа 3:

Рис.8. Графитовые включения выделены желтым цветом.

Рис.8.1. увеличенное графитовое включение

Всего измерений 994

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

группа 4:

Рис.9. Графитовые включения выделены синим цветом

Рис.9.1. увеличенное графитовое включение

Всего измерений 853

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

группа 5:

Рис.10. Графитовые включения выделены красным цветом

Всего измерений 716

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

Группа 6:

Рис.11. Графитовые включения выделены оранжевым цветом

Всего измерений 577

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

группа 7:

Рис. 12. Графитовые включения выделены розовым цветом

Всего измерений 394

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

группа 8:

Рис. 13. Графитовые включения выделены фиолетовым цветом

Всего измерений 128

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

группа 9:

Рис. 14. Графитовые включения выделены болотным цветом

Всего измерений 1