Регистрация и количественный анализ изображений образцов (шлифов и пр.) - Производство и технологии курсовая работа

Главная

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

Структурная схема системы исследования микрошлифов. Методы анализа микрошлифов. Программное обеспечение для анализа на персональном компьютере полученных изображений микрошлифов: Intron-Set, ВидеоТесТ-Структура, ВидеоТесТ-Металл, ВидеоТесТ-Размер 5.0.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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.
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;
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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;
- 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.
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:
- 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
- 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)
- автоматическое определение типа, формы и размера включений графита (по ГОСТ 3443, ASTM A247)
- 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)
- 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,
- возможность расширения списков стандартов в соответствии с пожеланиями заказчика.
Автоматизированные анализаторы изображений. Кристаллическая решетка графита, его применение, свойства. Исследование зависимости параметра формы (вытянутость и диаметр) от размера графитовых включений. Построение графиков и выявление зависимостей. курсовая работа [1,0 M], добавлен 16.02.2015
Особенности макроструктурного анализа. Методы подготовки макрошлифа. Методы исследования и изготовления микрошлифа. Оптическая схема металлографического микроскопа. Исследование металла на электронном микроскопе. Физические методы исследования металла. практическая работа [1,5 M], добавлен 09.12.2009
Классификация сточных вод и методы их очистки. Основные направления деятельности предприятия "Мосводоканал". Технологическая схема автомойки и процесс фильтрации воды. Структурная схема управления системой очистки воды, операторы программы CoDeSys. отчет по практике [5,4 M], добавлен 03.06.2014
Обоснование структуры системы автоматического регулирования и разработка функциональной схемы. Разработка математической модели системы, синтез регуляторов скорости и положения. Исследование динамической характеристики системы на персональном компьютере. курсовая работа [366,0 K], добавлен 13.09.2010
Анализ конструкции поглощающего аппарата, выявление возможных дефектов. Цели, задачи и виды FMEA анализа. Формирование команды экспертов. Обеспечение выявления потенциальных несоответствий как основная задача системы менеджмента качества на предприятии. курсовая работа [454,0 K], добавлен 28.04.2013
Структурная схема роботоконвейерного комплекса, основные требования технологического процесса, принцип работы приводов механизмов. Функциональная схема системы логического управления и структурная схема следящего механизма, описание управляющих сигналов. курсовая работа [165,2 K], добавлен 13.09.2010
Структурная схема линеаризованной системы автоматического управления следящего электропривода, параметры элементов силового канала, оптимальных настроек регуляторов, ожидаемые показатели качества работы. Анализ нелинейной САУ СЭП и ее структурная схема. курсовая работа [3,5 M], добавлен 20.03.2010
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Регистрация и количественный анализ изображений образцов (шлифов и пр.) курсовая работа. Производство и технологии.
Курсовая работа по теме Проблемы и перспективы совершенствования акцизного налогообложения
Отчет по практике: Учебно-ознакомительная практика на базе ООО Аврора
Курсовая работа по теме Французские культурные центры в Санкт-Петербурге в 90-е годы XX – начале XXI века
Контрольная работа: Территориальные основы местного самоуправления в РФ. Международное законодательство о местном самоуправлении
Дипломная работа: Кредитование юридических лиц (Российский и зарубежный опыт). Скачать бесплатно и без регистрации
Дипломная работа по теме Рынок его структура и функционирование
Сочинение По Картине Третий Класс
Скачать Виртуальная Лабораторная Работа
Реферат: Положення міжнародного права з питань захисту людей
Курсовая работа: Автогрейдер ДЗ-122 с дополнительным оборудованием для профилировки откосов
Реферат: Гражданская оборона. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат по теме Лизинг, как форма привлечения инвестиций в Казахстане
Сочинение по теме Онегин и Ленский в романе “Евгений Онегин “
Реферат: Ренессанс. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение На Тему Тараса
Лабораторная Работа Размножение Растений
Курсовая работа: Узел редуктора электромеханического привода
Дипломная работа по теме Проектирование строительства эксплуатационной скважины на нефть на Приобском месторождении
Дипломная работа по теме Формирование глагольного словаря старших дошкольников с общим недоразвитием речи 3-го уровня
Психологический Портрет Сочинение 9 Класс
Физическая реабилитация при заболеваниях органов пищеварения. Ультразвуковая терапия - Медицина контрольная работа
Методы компьютерных вычислений и их приложение к физическим задачам - Программирование, компьютеры и кибернетика методичка
Сущность подготовки менеджеров в Японии - Менеджмент и трудовые отношения реферат