Предпосылка
Неметаллические включения – это инородные частицы, попавшие в сталь в процессе производства. Включения имеют различный химический состав и по-разному влияют на механические свойства стали: пластичность, твердость, обрабатываемость и коррозионную стойкость. Как правило, чем меньше неметаллических включений содержится в стали, тем выше ее качество. Следовательно, анализ и документирование неметаллических включений является важным этапом контроля качества.
Проблематика
В Северной и Южной Америке, ASTM E45 является основным стандартом качества при анализе неметаллических включений в стали. Лаборатории контроля качества широко используют метод сравнения с эталонными шкалами (ASTM) для анализа включений. Оператор визуально оценивает тип и критичность включений путем сравнения оптического изображения в микроскопе с эталонным микроснимком, размещенным рядом с микроскопом.
До прихода цифровых технологий, на основании критериев, установленных стандартом ASTM E45, анализ включений выполнялся с помощью составного микроскопа при общем увеличении 100× (объектив 10× и окуляры 10×). Данный стандарт был обновлен в целях адаптации к современным тенденциям в области цифровой обработки и анализа изображений, требуя разрешение 1,0 и более мкм/пиксель при использовании объективов 10×. Цифровая обработка изображения, на сегодняшний день, – наиболее популярная методика, ввиду высокой точности и повторяемости результатов; она позволяет исключить ошибки субъективного характера, свойственные человеческому глазу. Более того, документирование результатов анализа полностью интегрировано в рабочий процесс. Но как успешно внедрить цифровую обработку изображений для анализа неметаллических включений в стали, оставаясь в рамках стандарта ASTM E45?
Решение
После тщательной подготовки образцов, неметаллические включения можно наблюдать напрямую на поверхности стального образца с помощью составного микроскопа (прямого или инвертированного) методом светлого поля в отраженном свете. Исключительная яркость и высокий коэффициент контрастности упрощают выявление и анализ включений; включения отображаются темным цветом на отражающей поверхности стали. Морфологические параметры меняются в зависимости от вида включений (т.е. глобулярные оксиды и силикат), также как и уровень серого (оксиды и сульфиды алюминия).
Благодаря стремительному развитию области цифровой обработки данных, любой пользователь может незамедлительно приступить к анализу неметаллических включений в стали с полностью интегрированным цифровым решением, отвечающим требованиям лабораторных условий. Разработанные в соответствии с ASTM E45 (и другими международными стандартами), решения анализа изображений посредством микроскопии позволяют с высокой точностью и повторяемостью определять включения в стали, при минимальном обучении.
Конфигурация
Типичная конфигурация оборудования для анализа неметаллических включений в стали методом цифровой обработки изображений.
Инвертированный металлургический микроскоп:
Инвертированный микроскоп здесь предпочтительнее прямой модели, поскольку образец с плоской шлифованной поверхностью ровно располагается на механическом предметном столике, позволяя сохранять постоянный фокус при перемещении столика.
ПО обработки и анализа изображений в материаловедении:
Благодаря высокой степени контрастности, а также уникальным морфологическим параметрам, неметаллические включения в стали легко выявляются с помощью ПО обработки и анализа изображений. Многие ПО обработки и анализа изображений в материаловедении предоставляют дополнительные модули, позволяющие выполнять измерения в полном соответствии с ASTM E45 и другими международными стандартами.
 |  |  |
Типичная конфигурация оборудования: инвертированный металлографический микроскоп, металлургический объектив 10× и цифровая камера с высоким разрешением
Металлургический объектив 10x:
Требуемый коэффициент увеличения объектива для анализа неметаллических включений.
Цифровая камера CCD или CMOS:
Наиболее важный критерий при выборе камеры для оценки включений – размер пикселя. Согласно стандарту ASTM E45, наиболее подходящий размер откалиброванного цифрового пикселя: 1,0 мкм/пиксель и выше. Например, цифровая камера с реальным размером пикселя 6,3 мкм и менее предпочтительна при использовании объектива 10× и адаптера камеры 0,63×.
Откалиб. цифровое разрешение = (Реал. размер пикселя) ÷ (Увелич. объектива) ÷ (Увелич. адаптера камеры)
Откалиб. цифровое разрешение = (6,3 мкм) ÷ (10) ÷ (0,63)
Откалиб. цифровое разрешение = 1 мкм на пиксель
Рекомендуется использовать кодированную ручную или моторизованную вращающуюся турель объективов. ПО для анализа изображений должно автоматически считывать коэффициент увеличения объектива. Это гарантирует высокий уровень точности измерения, поскольку автоматическое распознавание исключает риск неверного ручного ввода коэффициента увеличения объектива в программу.
Для манипулирования и позиционирования исследуемого образца требуется ручной или моторизованный столик XY. Поскольку стандарт ASTM E45 требует минимальной зоны сканирования 160 мм2, рекомендуется использовать моторизованный столик, который можно запрограммировать, исходя из данного параметра.
Персональный компьютер должен отвечать минимальным системным требованиям камеры и ПО. Также требуется монитор с высокой разрешающей способностью.
Процедура
- Выберите объектив с увеличением 10× для наблюдения методом светлого поля в отраженном свете; разместите образец на предметном столике XY для анализа интересуемой зоны на наличие включений. Или, при использовании моторизованного столика, запрограммируйте ПО для сканирования нужного участка объекта (минимум 160 мм2, согласно ASTM E45).
- Выполните захват изображения с помощью ПО анализа и обработки изображений.
- В прикладном ПО анализа включений, задайте пороговые значения в режиме Grayscale (оттенки серого) для определения всех включений и различия между оксидами и сульфидами. Это позволит программе анализа и обработки изображений различать два вида соединений.
- ПО выполняет анализ изображения и оценивает степень загрязненности стали
неметаллическими включениями, в соответствии с требованиями стандарта.
- На базе предустановленного шаблона, автоматически генерируется отчет с результатами анализа, включающий цифровые данные и изображения.
Вывод
Благодаря высокому контрасту между цветом металла и включений, неметаллические включения в стали легко выявляются с помощью ПО обработки и анализа изображений. Большинство программных пакетов разработано в соответствии с ASTM E45 и другими международными стандартами, и могут быть реализованы без существенных дополнительных усилий. Различные программные пакеты, помимо анализа, предоставляют возможность автоматической генерации отчетов по результатам анализа; более того, они предоставляют интегрированную базу данных для архивации и быстрого поиска информации (включая изображения). При поиске решения для анализа неметаллических включений в сталях, лучше всего напрямую работать с производителями материаловедческих микроскопов, поскольку они будут сопровождать вас на каждом этапе процесса, от выбора оборудования до полного развертывания.
Использованная литература
Carmo Pelliciari, Dr. Eng., Metallurgical Consultant
American Society for Testing and Materials (ASTM) E45-11 Standard
ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA
