Размещено на http://www.allbest.ru/

Балтийский Государственный Технический Университет им. Д.Ф.Устинова «Военмех»

Кафедра Н2 «Инжиниринг и менеджмент качества»

Регистрация и количественный анализ изображений образцов (шлифов и пр.)

Курсовая работа по дисциплине «Физические принципы первичных преобразователей»

Работу выполнил:

Студент: Якушев М.В.

Работу проверил:

Преподаватель: Юлиш В.И.

Сулаберидзе В.Ш.

Дата: «__»_______2009г

Санкт-Петербург

2009г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОШЛИФОВ

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА МИКРОШЛИФОВ

2.1 Металлографический анализ

2.2 Электронная микроскопия

2.3 Анализ изображений результатов микромеханических испытаний.

2.4 Микроспектральный анализ

3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ ПОЛУЧЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МИКРОШЛИФОВ

3.1 Spectr-Met

3.2 Intron-Set

3.3 ВидеоТесТ-Структура

3.4 ВидеоТесТ-Металл

3.5 ВидеоТесТ-Размер 5.0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Одними из важнейших задач современного этапа развития машиностроения являются контроль и существенное повышение качества надежности и долговечности деталей узлов и механизмов. Эти задачи могут решаться только на основе комплексного подхода, включающего как создание новых материалов, так и разработку, и освоение эффективных технологий, упрочняющих металлические материалы.

Создание новых материалов и разработка эффективных технологий по упрочнению материалов базируется на результатах научных исследований в области металлографии, для проведения которых используется определенная измерительная техника и методика анализа результатов наблюдений. Металлография основана на исследовании и анализе микрошлифов - срезов металла для микроисследований. Первой и основной отличительной особенностью анализа микрошлифов металлов является малый размер измеряемых величин, что значительно затрудняет проведение научных исследований.

Стремительное развитие в последние годы вычислительной техники дает возможность значительно расширить автоматизацию научно-исследовательских работ во всех областях науки и техники, и в частности в металлографии. 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.

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОШЛИФОВ

Система исследования микрошлифов металлов (рисунок 1) состоит из микроскопа, видеокамеры (фотокамеры), видеобластера и персональной ЭВМ.

Изображение образца металла, снятое видеокамерой (фотокамерой) через микроскоп, при помощи специального устройства - видеобластера, передается в ЭВМ, которая под управлением специального программного обеспечения проводит автоматизированную обработку полученного изображения.

Рисунок 1. Структурная схема автоматизированной системы анализа микрошлифов металлов.

Микроскоп, обладая режимом отраженного света, определённым разрешением и увеличением, создает нужное пользователю изображение.

Качество изображения, передаваемого видеокамерой, во многом определяется характеристиками фотоэлектрических преобразователей, используемых в ней: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и спектральной характеристикой, инертностью. Широко распространены видиконные, плюмбиконные видеокамеры и видеокамеры, в которых в качестве фотоэлектрических преобразователей используются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Всё же чаще всего используются ПЗС-камеры, которые по сравнению с видиконными (высокая чувствительность, малое разрешение, инертность) и плюмбиконными (среднее качество и разрешение, малая инертность) видеокамерами обладают:

- предельной чувствительностью (достигается малой входной емкостью ПЗС);

- отсутствием геометрических искажений изображения (вследствие того, что все ПЗС-элементы обладают одинаковыми характеристиками);

- отсутствием яркостных искажений изображения (вследствие линейности световой характеристики);

- высокой разрешающей способностью, определяющейся числом элементов накопления в ПЗС-матрице;

- отсутствием инертности.

Необходимая разрешающая способность видеокамеры определяется размерами объектов изображения и используемым увеличением микроскопа. При минимальном размере элемента анализируемого изображения l (мм) и увеличивающей способности микроскопа e (раз), разрешение видеокамеры должно быть (пикселей на мм)

при условии, что для однозначного распознавания объекта изображения на него должно приходиться не менее пяти пикселей разрешения видеокамеры.

Применение карты видеобластера позволяет:

- просматривать изображение (в частности, изображение микрошлифов металлов) с видеокамеры или видеомагнитофона;

- захватывать, оцифровывать и записывать на диск отдельные кадры видеоизображения;

- записывать фрагменты видео (при наличии специального программного обеспечения).

Необходимая разрешающая способность видеобластера определяется разрешением используемой видеокамеры, то есть для сохранения качества изображения, переданного видеокамерой, видеобластер должен обладать разрешающей способностью не меньшей, чем видеокамера.

Программное обеспечение для системы обработки изображений микрошлифов металлов может быть разработано на любом языке программирования и должно обеспечивать результаты максимально близкие к реальным. В качестве математической основы такого программного обеспечения рекомендуется использовать методы текстурного анализа (оптико-структурного машинного анализа), предназначенного для автоматизированной обработки изображений, различающихся по их статистическим характеристикам, то есть распределению элементов изображения, по плотности, геометрическим и топологическим признакам.

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА МИКРОШЛИФОВ

Подготовка микрошлифа к исследованию: для изготовления микрошлифа делают разрез металла в плоскости, интересующей исследователя. Затем полученную плоскость шлифуют и полируют до зеркального состояния. Чтобы выявить структуру, следует создать рельеф или окрасить в различные цвета структурные составляющие, что достигается обычно химическим травлением. При травлении кислота в первую очередь воздействует на границы зерна, как места, имеющие наиболее дефектное строение и которые в травленом шлифе станут углублениями; свет, падая на них, будет рассеиваться, и в поле зрения микроскопа они будут казаться темными, а тело зерна - светлым.

2.1 Металлографический анализ

К настоящему времени учёные создали приборы для изучения структуры металлов. К таким приборам, прежде всего, относится металлографический микроскоп (Рисунок 2), в котором используется режим отраженного света. Просвечивающий микроскоп не удается применить для исследования металлов, т.к. в его оптической схеме свет от источника проходит через исследуемый образец, попадает в объектив микроскопа и через систему линз и окуляр попадает в глаз наблюдателя. Металл не пропускает световые лучи, поэтому для исследования металлов пришлось разрабатывать совершенно другую схему отражательного микроскопа. В этом типе микроскопа свет попадает на поверхность исследуемого образца, и после отражения попадает в объектив и в дальнейшем в окуляр микроскопа. Чтобы поверхность образца хорошо отражала свет, она должна быть отполирована до зеркального состояния, изображение можно сфотографировать через окуляр микроскопа.



Рисунок 6. Оптическая схема металлографического микроскопа: 1 - источник света; 2 - призмы; 3 - объектив; 4 - микрошлиф; 5 - столик ; 6 - окуляр

Если сравнить друг с другом фотографии отполированных образцов из различных металлов, оказывается, что они не отличаются ничем, кроме цвета (медь красная, железо белое), и не дают информации о структуре материала. В такой ситуации пригодились исследования химиков, изучавших процессы растворения металлов химическими реактивами. Оказалось, что для каждого металла и сплава существуют реактивы (травители), которые позволяют растворить поверхность металла на глубину в доли микрона. При этом на поверхности образца выявляются микроскопические участки, имеющие разную конфигурацию, рельеф и цвет. Эта микроструктура дает необычайно ценную информацию, она меняется после нагрева и охлаждения сплава по различным режимам (термической обработки). Изучением микроструктуры занимается целая отрасль физического металловедения - металлография, созданы металлографические атласы с фотографиями микроструктур различных сплавов после различных обработок с увеличениями от 100 до 1000. На основании полученных данных можно сделать заключение о химическом составе сплава, различных структурных составляющих и режимах предшествующей термической обработки.

Например, структура железа состоит из многоугольных зерен диаметром несколько десятков микрон. На микрофотографии видно сечение этих зерен плоскостью шлифа. По данным химического анализа в железе содержится менее 0,01% углерода. При увеличении содержания углерода до 0,3% (этот сплав уже носит название сталь) появляется вторая структурная составляющая - зерна меньшего размера, имеющие полосчатую структуру. Многоугольные зерна носят название феррит, а полосчатые - перлит. При увеличении содержания углерода до 0,8% перлитная структура занимает весь шлиф. Таким образом, очень небольшое количество углерода (менее 1%) резко изменяет структуру стали. Феррит, перлит и другие структуры в сплавах носят общее название - структурные составляющие.

Рисунок 3. МИКРОГРАФИЧЕСКИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ (полученные с помощью оптического микроскопа) перлита (а), мартенсита (б) и распределения частиц цементита в феррите (в).

Структурные составляющие не обязательно являются однородными, они, в свою очередь, могут состоять из различных элементов, твердых растворов и химических соединений, которые называются фазами. В рассматриваемом случае в железе структура состоит из одной фазы. В тех сплавах, в которых в качестве структурной составляющей есть перлит, ситуация сложнее, т.к. перлит состоит из пластинок двух фаз - феррита и химического соединения Fe3C, которое называется цементитом. Формулу этого соединения определили химики, подобрав реактив, который растворяет железо (феррит). После растворения остается порошок, состав которого определили методами аналитической химии. Полоски представляют собой сечения пластин феррита и цементита плоскостью шлифа. Если вместо полосчатой структуры перлита под микроскопом выявляется игольчатая структура с размерами иголок в десятки раз меньшими размеров пластин феррита и цементита в перлите, то эта структура носит название мартенсита.

Таким образом, первый этап металлографического исследования - металлография позволяет получить информацию о морфологии элементов структуры. Для дальнейшей интерпретации этих данных необходимы другие методы исследования.

2.2 Электронная микроскопия

При металлографических исследованиях структуры металла часто бывают необходимы большие увеличения. В обычном оптическом микроскопе предельное увеличение практически не более 1000, что связано с фундаментальными физическими причинами (длина волны света, коэффициент преломления света в линзах). Предельное увеличение в электронных микроскопах в сотни раз больше. В электронных микроскопах используется явление отклонения потока электронов в магнитном поле. Пучок электронов проходит через электромагнитные катушки (электронные линзы) действующие, как линзы в оптическом микроскопе, и объект исследования. Изображение объекта фиксируется на флуоресцентном экране.

Для исследования металлов применяется обычно сканирующий электронный микроскоп, в котором пучок электронов с помощью системы развертки сканирует поверхность образца. Отраженный электронный пучок, проходя через электронные линзы, создает увеличенное изображение объекта на экране. Увеличение в таком микроскопе порядка 100 000, т.е. в сто раз больше, чем в оптическом. При исследовании стали в сканирующем электронном микроскопе с увеличением 10 000, получены данные о структуре и конфигурации ферритных и цементитных пластин в перлите и изучены границы зерен в феррите, что существенно помогает при построении физического механизма процессов, происходящих при различных видах термической обработки. Современные сканирующие микроскопы имеют еще ряд возможностей (исследование профиля поверхности, фотографирование во вторичных рентгеновских лучах (принцип рассмотрен ниже).

В просвечивающих электронных микроскопах высокого разрешения электронный пучок может пробить металлическую фольгу толщиной порядка 1 мкм. Если из металла удается изготовить фольгу такой толщины, то можно получить увеличение еще в несколько раз больше. Такой вид микроскопии позволяет изучить процессы кристаллизации стали и атомные механизмы пластической деформации и разрушения.

2.3 Анализ изображений результатов микромеханических испытаний

Основной характеристикой металлов и сплавов являются их механические свойства, т.е. способность выдерживать нагрузки и деформироваться. Разработано большое количество стандартных методов механических испытаний, например, испытания на растяжение. Это испытание состоит в растяжении образца в форме стержня с измерением приложенной нагрузки и удлинения образца. По результатам измерений определяется несколько механических характеристик, которые носят название предел текучести, предел прочности, относительное удлинение. Аналогичный набор механических характеристик определяется при испытаниях на сжатие, изгиб, кручение и другие виды приложения нагрузок. В измеренные величины механических свойств вносят свой вклад все зерна металла, и выделить вклад отдельных структурных составляющих не удается.

Для металлографических исследований свойств отдельных структурных составляющих сплавов были разработаны методы микромеханических испытаний.

Среди обычных методов механических испытаний есть распространенный метод измерения твердости. Твердостью называется сопротивление материала внедрению в него другого материала. В испытуемый образец вдавливается индентор из другого материала и измеряется глубина вдавливания. Естественно, материал индентора должен быть тверже материала образца. Твердость вычисляется исходя из величин нагрузки на индентор, формы и размеров индентора, глубины вдавливания.

Современная техника позволяет изготовить приборы для проведения измерения твердости в микромасштабе. В таком приборе для измерения микротвердости металлографический шлиф, предварительно протравленный для выявления структуры, исследуется под микроскопом, выбирается место для исследования, к этому месту подводится алмазный индентор, прикладывается нагрузка, после чего нагрузка снимается, шлиф возвращается в поле зрения объектива микроскопа и проводится измерение отпечатка. В микромасштабе сложно измерять глубину вдавливания индентора, легче измерить размеры отпечатка в плоскости шлифа. Если индентор имеет форму шарика (Рисунок 4), конуса или пирамиды, то по диаметру или диагонали отпечатка можно вычислить его глубину и определить твердость так же, как это делается при макромеханических испытаниях.

Рисунок 4. Отпечаток шарообразного индентора на металле.

В наиболее распространенном приборе для измерения микротвердости увеличение составляет до 400 и на микрошлифе стали хорошо видны отдельные структурные составляющие. Измерения их твердости показывают, что микротвердость феррита составляет около 100, перлита около 400, а мартенсита в закаленной стали около 800. Для того чтобы определить твердость всех фаз, увеличения прибора недостаточно, так, например, удается определить твердость перлита, но пластины фазы цементит (Fe3C) являются слишком тонкими, и поставить отпечаток на одну пластину не удается.

Метод измерения микротвердости при металлографических исследованиях во многих случаях позволяет получить результаты, недостижимые при макроскопических механических испытаниях. Например, измерения микротвердости участков с мартенситной структурой, возникших на месте зерен перлита в стали после действия световых импульсов лазера, показали, что их твердость почти в полтора раза выше, чем твердость стали после обычной закалки в воде. Этот эффект, имеющий большое научное и практическое значение, связан с тем, что нагрев и охлаждение металла при лазерной обработке происходит со скоростями в тысячи раз большими, чем при обычной закалке.

2.4 Микроспектральный анализ

Принцип микроскопического наблюдения поверхности образца и зондирования выбранного участка осуществляется и в других приборах, применяемых в физическом металловедении.

Оптический спектральный анализ химического состава твердых тел основан на том, что материал испаряется, например, с помощью вольтовой дуги. При испарении материал переходит в плазменное состояние и начинает излучать свет. При этом каждый химический элемент дает свой набор длин волн излучения. Измеряя с помощью спектрографа длины волн излучения и соответствующие интенсивности света, можно провести качественный и количественный анализ химического состава изучаемого образца. В приборе для микроспектрального анализа под микроскопом на шлифе выбирается исследуемый участок и на него с помощью оптической системы направляется мощный световой импульс лазера, который фокусируется до диаметра около 1 мкм. Световой луч испаряет выбранный участок шлифа и возникает свечение образовавшейся плазмы, которое анализируется с помощью спектрографа. Для рассматриваемых сталей этим методом удается показать, что феррит является (в рамках чувствительности анализа) чистым железом, а перлит содержит углерод.

Рентгеновский спектральный анализ основан на том, что электронный пучок, попадающий на поверхность твердого тела, при определенных условиях может возбуждать рентгеновское излучение химических элементов, входящих в образец. Это рентгеновское излучение может анализироваться рентгеновским спектрометром и таким образом можно идентифицировать химические элементы и определять качественный и количественный химический состав материала.

В приборе для микрорентгеноспектрального анализа, который обычно совмещается с электронным микроскопом, проводится микроисследование поверхности шлифа, затем на выбранный участок фокусируется электронный пучок и возникающее рентгеновское излучение анализируется с помощью рентгеновского спектрометра. Размер анализируемой области очень мал, диаметр пучка может составлять десятые доли микрометра, поэтому этот метод дает дальнейшее увеличение локальности анализа. В частности, для перлитной структуры стали можно провести отдельно анализ состава ферритных и цементитных пластин. Это исследование показывает, что феррит является практически чистым железом, что подтверждает результаты, полученные другими методами микроисследования. Для цементитных пластин этот метод исследования показывает, что они действительно состоят из железа и углерода.

При рентгеноспектральном анализе пучок электронов может перемещаться по поверхности образца, поэтому можно получить распределение этого химического элемента вдоль заданной траектории, например, распределение углерода в перлитных пластинах. Можно также получить фотографию в рентгеновском излучении анализируемого элемента. На снимке стали в рентгеновских лучах железа светится все поле, на снимках в рентгеновских лучах углерода светятся только полосы цементита.

Таким образом, использование химического анализа, металлографии и электронной микроскопии, измерения микротвердости, оптического и рентгеновского спектрального микроанализа позволило провести важные этапы металлографического анализа стали и определить конфигурацию структурных составляющих, общий и локальный химический состав, микротвердость до и после термической обработки.

3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА НА ПЕРСОНАЛЬНОМ КОМПЬЮТЕРЕ ПОЛУЧЕННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МИКРОШЛИФОВ

Программное обеспечение для автоматического анализа изображений микрошлифов должно удовлетворять следующим общим требованиям:

- эргономичный, простой и понятный интерфейс;

- ввод новой информации и процедур, не требующий изучения никаких внутренних языков программирования;

- точность результатов;

- надежность работы;

- возможность ввода изображений из различных источников (непосредственно из видео- , фотокамеры микроскопа, с помощью сканера, фото с носителя и т.д.)

Дальнейшие требования к ПО определяются возможностями и интересами пользователя.

На данный момент уже существуют программные пакеты, предназначенные для автоматического или полуавтоматического количественного анализа изображений микрошлифов. К ним относятся:

- MICROKON MET-5.7. (Программный пакет металлографического анализа (количественная оценка и анализ изображений структур по ГОСТ-3443, ГОСТ-5640, ГОСТ-5639, ГОСТ-8233, ГОСТ-1778, ОСТ 34-70-690 с формированием протоколов и отчетов).

- SPECTR MET 5.6 (Программный пакет металлографического анализа).

- Intron-Set (Программный пакет обработки и анализа изображений металлографии также предназначается для ввода, преобразования и анализа изображений в материаловедении).

- ВидеоТесТ-Структура (предназначена для автоматического анализа изображений материалов. Программа позволяет создавать методики для решения стандартных пользовательских задач, связанных с измерениями на изображении. Она также включает несколько готовых методик).

- ВидеоТесТ-Металл (предназначена для автоматического анализа изображений металлов и сплавов в соответствии с отечественным (ГОСТ) и зарубежными (ASTM и ISO) стандартами. Программа обеспечивает высокую скорость оценки структур, точность и достоверность анализа).

- ВидеоТесТ-Размер 5.0 (программное обеспечение, предназначенное для работы с отдельными изображениями и сериями изображений в составе одного документа. Она обеспечивает широкие возможности для проведения ручных измерений, редактирования изображений, нанесения на них графики. Программа отличается высоким быстродействием, удобством и простотой).

Рассмотрим каждый программный пакет более подробно.

3.1 Spectr-Met

Программный пакет SPECTR MET 5.6 - универсальный программный инструмент, обеспечивающий полный цикл работы с металлографическими изображениями: ввод и обработку изображений, калибровку по размеру, количественные оценки и анализ изображений структур по ГОСТам с формированием протоколов и отчетов, легкий ввод новых процедур, количественных оценок и анализа структур по любым требуемым нормам - не требующий изучения никаких внутренних языков программирования, надежность работы, точность результатов, эффективность и удобство работы, благодаря эргономичному, простому и понятному интерфейсу, автоматизацию рутинных операций обработки и анализа изображений, наглядный количественный анализ, возможности создания отчетов с оригинальными изображениями и таблицами результатов измерений, имеющий удобный фотоальбом для быстрой работы с большими объемами изображений.

Основные функции пакета SPECTR MET:

- количественные оценки и анализ изображений структур по ГОСТам с формированием протоколов и отчетов;

- калибровка по изображению тест-объекта;

- измерения - “точка-точка” с построением профиля яркости на измеряемом отрезке; определение в ручном и автоматическом режимах балла зерна по двум различным алгоритмам, учитывающим степень однородности структуры; движущаяся шкала и сетка для быстрого измерения линейных размеров и площадей;

- фазовый анализ - проводится вручную или автоматически (2 алгоритма), позволяет оценивать процентные соотношения фаз в образце. Результат - мультифазное изображение и таблица процентного содержания выделенных фаз. Для проверки правильности разделения введена функция вычитания фаз;

- морфологические операции;

- морфологический анализ - выделение на изображении связных областей (зерен металлов и т.п.) и контуров объектов;

- распознавание и альбомы эталонных структур - удобное средство при анализе структур металлов методом сравнения с эталоном;

- обработка изображений - регулировки яркости, контрастности, гамма-коррекция с отображением изменения гистограммы; шумоподавление (2 алгоритма); поиск и подчеркивание границ (для задач микродефектоскопии); фильтр резкости с минимальным уровнем вносимых шумов; специальный фильтр преобразование цветного изображения в серое с максимальным сохранением контраста и деталей; фильтры коррекции характерных искажений видеоизображения.

3.2 Intron-Set

Этот программный пакет обработки и анализа изображений металлографии также предназначается для ввода, преобразования и анализа изображений в материаловедении. Результаты анализа обрабатываются статистически. Пакет позволяет проводить анализ изображений в полуавтоматическом и автоматическом режимах и решать широкий спектр задач количественной металлографии.

Основные возможности и преимущества пакета:

- количественные оценки и анализ производиться по ГОСТам;

- осуществлен ввод процедур количественных оценок и анализа структур по любым нормам;

- ввод изображений с цифровых фотокамер и сканеров, а также с устройств преобразования изображений в цифровую форму;

- наличие фотоальбома для работы с большими объектами изображений;

- сохранение библиотек изображений и отчетов на съемных носителях;

- пакетная обработка изображений с помощью макрокоманд.

3.3 ВидеоТесТ-Структура

Программа ВидеоТесТ-Структура предназначена для автоматического анализа изображений материалов. Программа позволяет создавать методики для решения стандартных пользовательских задач, связанных с измерениями на изображении. Она также включает несколько готовых методик.

Основные возможности программы:

- ввод изображений образцов в компьютер с помощью ТВ-камеры или сканера, открытие из файла, копирование из буфера;

- преобразование и редактирование изображений;

- получение резкого изображения из серии изображений, части которых находятся не в фокусе;

- ручное и автоматическое выделение интересующих объектов (зерен, пор, включений, фаз и т.п.);

- измерение размеров, формы, положения, оптических параметров выделенных объектов или участков;

- классификация объектов и статистическая обработка результатов измерений с построением гистограмм;

- возможность работы в одной из готовых методик автоматического анализа: гранулометрия, зернистость в соответствии с ГОСТ 5639 - 82, ISO 643, ASTM E 1382 - 97 и Е 930 - 92, Фазовый анализ;

- возможность создания новых методик для автоматизации выполнения рутинного анализа;

- вывод изображений и результатов анализа на печать;

- сохранение изображений и результатов в базе данных для изображений.

ВидеоТесТ - Структура включает четыре предустановленных методик анализа:

«Измерения», «Гранулометрия», «Фазовый Анализ», «Зернистость». Предусматривается также возможность работы в свободном режиме («Нет методики»). Программа также позволяет создавать новые методики анализа для различных пользовательских задач. При использовании методики вся последовательность операций над изображением выполняется автоматически.

Методика - это автоматически выполняемая последовательность действий над изображением, позволяющая получить необходимый результат при минимальном вмешательстве оператора. Использование методики делает проведение рутинных анализов более быстрым и менее утомительным, так как большинство операций над изображением производится автоматически, лишь в некоторых случаях требуя вмешательства оператора.

1. Методика «Измерения» используется для измерения морфологических и яркостных параметров объектов (частиц, порошков, включений, зерен и т.п.) в образцах.

2. Методика «Гранулометрия» используется для измерения морфологических и яркостных параметров объектов (частиц, порошков, зерен и т.п.) в образцах и для автоматической классификации измеренных объектов.

3. Методика «Фазовый Анализ» используется для оценки площадных соотношений различающихся по окраске (или яркости) фаз в полированных образцах.

4. Методика «Зернистость» предназначена для измерения зерен образцов сталей и сплавов и для их автоматической классификации по размерам.

Программа также позволяет работать в свободном режиме, без методики. Используя такой вариант работы, можно ввести изображение, а затем обработать его с использованием всего набора имеющихся в программе функций (преобразование, редактирование, измерения, и др.).

«ИЗМЕРЕНИЯ»

Эта методика позволяет вводить, обрабатывать и проводить измерения на изображениях образцов материалов. Сразу после ввода цветного или черно-белого изображения (в зависимости от типа использующейся системы ввода) или его открытия из файла начинается работа методики.

Объекты выделяются. Если результаты их выделения неудовлетворительны, то можно внести коррективы, выбрать другой способ сегментации или подправить выделенные объекты вручную.

Выделенные объекты измеряются с отображением результатов измерений в таблице (см. Рисунок 5). Измеряемые параметры могут быть выбраны оператором. Измеренные объекты могут быть разделены на классы. Результаты классификации отображаются в таблице классов, которая содержит всю информацию по классам объектов и их процентному содержанию. Можно провести измерения на неограниченном количестве изображений, при этом все статистические данные будут накапливаться в таблице классов. Количество классов, параметр для классификации, статистические параметры для расчета определяются оператором.



Рисунок 5. Окно разделено на две части: слева - изображение объектов, справа - таблица автоматических измерений. Активный объект выделен подвижной рамкой на изображении и цветной строкой в таблице.

«ГРАНУЛОМЕТРИЯ»

Эта методика позволяет вводить, обрабатывать и проводить измерения на изображениях порошков или других материалов. Сразу после ввода цветного или черно-белого изображения (в зависимости от типа использующейся системы ввода) или его открытия из файла начинается работа методики.

Объекты выделяются. Если результаты их выделения неудовлетворительны, то можно внести коррективы, выбрать другой способ сегментации или подправить выделенные объекты вручную. Выделенные объекты измеряются с отображением результатов измерений в таблице. Измеряемые параметры могут быть выбраны оператором. Все измеренные объекты автоматически делятся на 6 классов по их среднему габариту, и результаты классификации выводятся в таблице классов. Таблица классов содержит информацию по классам объектов и их процентному количеству. Можно провести измерения на неограниченном количестве изображений, при этом все статистические данные будут накапливаться в таблице классов. Количество классов, параметр для классификации, статистические параметры для расчета могут быть легко изменены оператором. Достаточность набранной в ходе анализа информации контролируется с помощью графика коэффициента вариации (его стабилизации указывает на достаточность измерительных данных).

«ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ»

Эта методика позволяет вводить, обрабатывать и анализировать изображения полированных образцов материалов, когда необходимо оценивать процентные соотношения различных фаз. Сразу после ввода цветного или черно-белого изображения (в зависимости от типа использующейся системы ввода) или его открытия из файла начинается работа методики. Фазы (например, разные минеральные составляющие породы, включения в металлах и т.п.) выделяются. По умолчанию выделяются две фазы, однако, при необходимости можно легко изменить их количество. Если результаты выделения фаз неудовлетворительны, то можно внести коррективы. Выделенные фазы измеряются с отображением результатов измерений в таблице. Измеряемые параметры могут быть выбраны оператором. Данные по процентному соотношению площадей разных фаз отображаются в таблице классов (см. Рисунок 6). Можно провести измерения на неограниченном количестве изображений, при этом все статистические данные (процент площади) будут накапливаться в таблице классов.

Рисунок 6. Окно разделено на две части: слева - исходное изображение, справа - псевдоокрашенное изображение. Три фазы (зерна корунда, поры и цементирующий материал) выделены и измерены.

микрошлиф исследование изображение анализ

«ЗЕРНИСТОСТЬ»

Эта методика предназначена для анализа размеров зерна сталей (сплавов) в полированных образцах. Методика позволяет вводить, обрабатывать и анализировать изображения полированных образцов с оценкой размера зерен структуры (для классификации используется Средняя Хорда зерен). Образец для анализа должен быть приготовлен в соответствии с рекомендациями соответствующих процедур так, чтобы границы зерен были четко выделены. Полированные образцы помещаются на столик микроскопа отраженного света и наблюдаются с помощью подходящих объективов. Сразу после ввода полутонового изображения образца или его открытия из файла начинается работа методики. Зерна выделяются. Если результаты их выделения неудовлетворительны, то можно внести коррективы, выбрать другой способ сегментации или подправить выделенные объекты вручную. Можно удалить посторонние объекты (грязь, царапины, другие дефекты) вручную, разделить контактирующие зерна, подкорректировать их контура и т.п. Зерна, пересеченные краем изображения или касающиеся его, могут быть удалены. Выделенные зерна измеряются с отображением результатов измерений в таблице (см. Рисунок 7). Измеряемые параметры могут быть выбраны оператором. Все измеренные объекты автоматически разделяются на классы по средней хорде. Результаты классификации выводятся в таблице классов. Для каждого класса зерен рассчитываются следующие статистические параметры: среднее (для средней хорды), количество зерен, процент количества зерен каждого класса.



Рисунок 7. Зерна выделены, измерены и разделены на классы. Внизу: таблица классов с рассчитанной статистикой.

Можно провести измерения на неограниченном количестве изображений, при этом все статистические данные будут накапливаться в таблице классов. Таблица классов может быть представлена в виде Диаграммы (см. Рисунок 8). Этот режим позволяет наглядно представить распределение зерен по классам.

Рисунок 8. Диаграмма распределения зерен по 4-ем классам.

«НЕТ МЕТОДИКИ»

Режим «Нет методики» предусматривает возможность свободной работы с изображений. После ввода или загрузки изображений можно использовать все функции программы в любой последовательности (преобразование, выделение объектов, измерения и др.).

НОВЫЕ МЕТОДИКИ

Количество возможных методик не ограничивается шестью предустановленными. Для создания дополнительных методик анализа можно:

1. Скопировать любую методику с новым именем, модифицировать ее без изменения общей последовательности анализа и сохранить.

2. Установить новую методику, созданную разработчиками.

3. Создать новую методику самостоятельно. Для создания новой методики необходимо провести необходимые операции над изображением, которые будут записаны и сохранены как макрокоманда.

3.4 ВидеоТесТ-Металл

Программа ВидеоТесТ-Металл предназначена для автоматического анализа изображений металлов и сплавов в соответствии с отечественным (ГОСТ) и зарубежными (ASTM и ISO) стандартами. Программа обеспечивает высокую скорость оценки структур, точность и достоверность анализа.

Программа ВидеоТесТ-Металл позволяет проводить:

Зернистость:

- балл зернистости стали (по ГОСТ 5639, ASTM 1382, E 930, E 122, ISO 643)

- балл действительного зерна аустенита (по ГОСТ 5639, ASTM E 122, E 1382)

- балл зернистости цветных металлов и сплавов (по ГОСТ 21073)

Загрязнение неметаллическими включениями:

- определение вида включений - оксиды, сульфиды, силикаты, оксиды + сульфаты + силикаты

- оценка включений (по ГОСТ 1778, ASTM E 1245, E 45, E 1122, ISO 4967) в том числе, анализ строчек включений

Соотношение фаз:

- относительное содержание феррита и перлита (по ГОСТ 8233)

- содержание ферритной фазы в прутках аустенитной стали (по ГОСТ 11878)

- оценка карбидной сетки в инструментальной легированной стали (по ГОСТ 5950)

- балл мартенсита (по ГОСТ 8233)

Включения графита в чугуне:

- автоматическое определение типа, формы и размера включений графита (по ГОСТ 3443, ASTM A247)

Твердость:

- твердость по методам Виккерса, Кнупа, Барковича и с использованием бицилиндрического наконечника (по ГОСТ 9450)

- твердость по методам Виккерса и Кнупа (по ASTM E 384, E 92)

Прочность металлических материалов (по ГОСТ 9391)

Толщина слоев:

- глубина обезуглероженного слоя (по ГОСТ 1763, ISO 3887)

- определение толщины модифицированных слоев, покрытий и пленок

Дополнительные возможности программы:

- управление из программы системой ввода и моторизованным столом,

- нанесение на изображение калибровочного маркера,

- определение общей проанализированной площади,

- моментальный пересчёт из одного стандарта в другие,

- автоматический анализ достоверности полученных результатов,

- автоматическое составление и печать отчёта, содержащего данные о материале, изображения и результаты анализа,

- встроенная база данных,

- возможность расширения списков стандартов в соответствии с пожеланиями заказчика.

3.5 ВидеоТесТ-Размер 5.0

ВидеоТесТ-Размер 5.0 представляет собой программное обеспечение, предназначенное для работы с отдельными изображениями и сериями изображений в составе одного документа. Она обеспечивает широкие возможности для проведения ручных измерений, редактирования изображений, нанесения на них графики. Программа отличается высоким быстродействием, удобством и простотой.

Особенности ПО ВидеоТесТ-Размер 5.0:

- Работа с сериями изображений и результатами анализа в составе одного документа.

- Автоматическая сшивка изображений по горизонтали и вертикали.

- Расширенный фокус.

- Расширенный набор инструментов для ручных и автоматических измерений объектов, который позволяет применять программу для решения широкого спектра задач.

- Статистическая обработка результатов измерений.

- Встроенная база данных изображений.

- Reporting tool.

Основные функции ПО ВидеоТесТ-Размер 5.0:

- Ввод изображений с помощью телевизионных и цифровых камер (10, 12, 16 битных). Ввод с устройств, поддерживающих TWAIN-протокол (сканеры и т.п.). Открытие изображения из файла, копирование из буфера обмена Windows.

- Ввод изображений по таймеру.

- Специальный формат документа предоставляет возможность работать с серией изображений, относящихся к одному эксперименту, образцу или препарату, и результатами их измерений в составе одного документа. Специальный инструмент обеспечивает удобный просмотр информации.

- Окно документа может быть разделено на две или четыре части. Инструмент для плавного масштабирования позволяет одновременно наблюдать целое изображение и увеличенные области, представляющие интерес.

- Работа с цветом: перевод в цветовые модели RGB, YUV, HSB.

- Набор фильтров для подготовки изображения к анализу.

- Автоматическая и ручная сшивка изображений по горизонтали и вертикали.

- Получение резкого изображения из серии изображений, части которых находятся не в фокусе (расширенный фокус).

- Сравнение изображений.

Линейные измерения: прямая, ломаная, произвольная линия, расстояние между параллельными линиями.

- Угловые измерения, набор инструментов для измерения радиуса окружности.

- Большой выбор инструментов для ручного нанесения контуров объектов различной формы: прямоугольных, круглых, сложной формы. Быстрое нанесение объектов фиксированного размера (квадратных, прямоугольных, круглых, эллиптических). Инструмент Волшебная палочка для автоматического выделения протяженных объектов сложной формы.

- Автоматическое измерение параметров нанесенных объектов: площадь, размеры (длина, ширина, хорда, диаметр Фере и т.д..), размеры по моделям (эквивалентный диаметр, "лента", длина линии и т.д.), форма (фактор формы, удлиненность, округлость), положение, цвет.

- Оптические параметры: яркость, оптическая плотность. Различные варианты калибровки системы для измерения оптической плотности.

- Объединение результатов измерений нескольких изображений в один список.

- Экспорт данных в MS Excel.

- Редактирование изображений (нанесение комментариев и разнообразных графических элементов), выделение, перенос и копирование области в рамке, поворот, увеличение (уменьшение). Возможность обмена графикой между изображениями. Нанесение калибровочных маркеров различного вида.

- Изображения и результаты измерений могут быть сохранены в документе или во встроенной базе данных.

- Гибкий инструмент для создания многостраничных отчетов и вывода их на печать. В отчете могут быть помещены: исходные изображения, изображения с контурами выделенных объектов (а также измерительными линиями, калибровочным маркером, комментариями), результаты измерений в табличной форме.

Каждый рассмотренный программный пакет представляет собой мощную многофункциональную компьютерную систему анализа изображений микрошлифов. Впринципе, все эти программы очень хорошие; и с помощью них можно провести качественный и глубокий анализ изображений. Но также они имеют один и тот же, как мне кажется, недостаток - они излишне функциональны. Все они содержат избыточное количество реализованных функций и методов металлографического анализа, в то время как необходима реализация лишь основных из них. Вследствие чего эти программные пакеты имеют высокие цены, несоответствующие уровню их использования.

Я считаю, что есть два решения этой проблемы:

1. следует из каждого программного пакета выделить по несколько основных функций и объединить в одну программу;

2. следует создать также одну общую программу с основными функциями, но также создать отдельные библиотеки с дополнительными функциями, которые заказчик программного обеспечения мог бы приобрести дополнительно за отдельную плату в зависимости от своих нужд и возможностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие современных методов изучения микроструктуры открывает новые перспективы в познании природы формирования свойств материалов и разработке новых эффективных технологий по их упрочнению. С помощью анализа изображений микрошлифов стало возможным по образцам малого размера быстро и надежно определять количественные показатели микроструктуры и устанавливать ее тип. Все это позволяет инженерам-исследователям решить главную задачу - создать адекватную математическую модель, позволяющую на основании данных анализа изображений поверхности образца материала оценить инженерно-технические свойства материалов, дать прогноз их изменения под влиянием различных воздействий. Учитывая это, можно повысить надежность, долговечность и качество деталей узлов и механизмов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. М., Техносфера, 2004

2. Физическое металловедение, в. 1-3, М., Металлургия, 1967-1968

3. Приборы и методы физического металловедения, вып 1-2, М., Мир, 1973-1974

4. Интернет сайты: http://www.videotest.ru/, http://jakovlev.boom.ru/science/paper/paper2.pdf, http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/METALLOVEDENIE_FIZICHESKOE.html

Размещено на Allbest.ru