pobieranie: 05_metalografia ilosciowa
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: METODY I TECHNIKI BADAŃ TWORZYW METALICZNYCH ĆWICZENIA LABORATORYJNE
METALOGRAFIA ILOŚCIOWA
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z: − podstawowymi zasadami, na których opiera się metalografia ilościowa, − technikami stosowanymi w przeszłości, umożliwiającymi ilościową ocenę struktur metali, − zaleceniami Polskiej Normy PN-84/H-04507/01, − stosowanymi parametrami stereologicznymi, − budową i zasadą działania współczesnego, komputerowego analizatora obrazu, − podstawowymi operacjami wykonywanymi na obrazie, − zastosowaniem informacji opisujących struktury metali. 2. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie rozpoczyna się sprawdzeniem wiadomości studentów dotyczących podstawowych zasad, na których opiera się metalografia ilościowa oraz możliwych do określenia parametrów stereologicznych i technik ich uzyskiwania. Właściwe ćwiczenie składa się z 5 części, z których punkty I-III studenci realizują na zajęciach, punkt IV należy wykonać w domu, punkt V wykonuje prowadzący ćwiczenie podczas zajęć. I. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym przy zastosowaniu mikroskopu optycznego i przystawki Eltinor. Wylosowaną próbkę żeliwa student mocuje w saniach przystawki Eltinor zamocowanych na mikroskopie optycznym i dokonuje analizy 200 punktów. Na podstawie dokonanych pomiarów określa udział procentowy węglików eutektycznych w analizowanym materiale. II. Określenie stereologicznych cech struktury jednofazowej poprzez zliczanie ziarn metodą Jeffriesa lub Jeffresa-Sałtykowa. Na strukturze jednofazowej, student dokonuje 3 zliczeń liczb ziarn przypadających na 1 mm2 stosując metodę Jeffriesa lub Jeffresa-Sałtykowa. Dla każdego zliczenia, na podstawie podanych w PN-84/H-04507/01 wzorów, student określa następujące wartości: liczbę ziarn na powierzchni 1 mm2 m [mm-1], średnią średnicę ziarna dm [mm], średnią powierzchnię przekroju ziarna a [mm2]. Na podstawie wartości średnich wyznaczonych parametrów stereologicznych, student z tablic określa numer wielkości ziarna badanej struktury jednofazowej.
III. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym metodą siatki. Wylosowaną wcześniej próbkę żeliwa wysokochromowego, student mocuje na mikroskopie wyposażonym w kamerę podłączoną do komputera. Na próbce wybiera miejsce reprezentacyjne dla całej struktury i drukuje na formacie A4 „zamrożony” obraz odnotowując jednocześnie zastosowane powiększenie mikroskopowe. Przy tych samych ustawieniach mikroskopu, student dokonuje wydruku obrazu wzornika długości umieszczonego w miejscu próbki na mikroskopie. Obraz ten będzie potrzebny w ćwiczeniu IV. Do powierzchni wydrukowanego obrazu mikrostruktury żeliwa wysokochromowego student przykłada wcześniej przygotowaną na folii przezroczystej siatkę o 255 węzłach. Określa ilość węzłów siatki (ki) leżących w polu węglików. Czynność tą powtarza pięciokrotnie w różnych miejscach badanego obrazu. Dla każdego z pięciu pomiarów oblicza udział procentowy węglików (%Ki). Wynik końcowy stanowią wartość średnia z pięciu pomiarów (%K) oraz średnie odchylenie od wartości średniej ( %K). Wielkości te należy obliczyć z następujących równań:
%Ki = ki × 100 % 255
5 i =1 i
(1)
%K =
∑ %K
5
5
(2)
∆ %K =
∑ %K − %K
i =1
i
5
(3)
III. Określenie udziału procentowego oraz średniej wielkości węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym metodą siecznych przypadkowych. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych A - Na powierzchnię wydrukowanej do realizacji Ćwiczenia III mikrostruktury, należy nanieść w sposób przypadkowy 10 siecznych (Lj) o długości 100 mm każda, zaznaczyć i opisać symbolami lij części wspólne siecznych i węglików nazywane cięciwami. Cięciwy, które nie są rezultatem całkowitego przecięcia wydzieleń węglików (cięciwy na skrajach siecznych) należy dodatkowo oznaczyć „* ”. B – Wszystkie cięciwy należy zmierzyć linijką z dokładnością do 0.5 mm a wyniki pomiarów stabelaryzować. Cięciwy skrajne należy dodatkowo oznaczyć w tabeli „* ”. C – Na tym etapie realizacji zadania można określić udział procentowy węglików (%K) w badanej strukturze. Do obliczeń można zastosować następujący wzór:
% K = 100% ×
∑∑ l
j =1 i =1 10
10
m
ij
∑L
j =1
(4)
j
Określenie średniej wielkości węglików eutektycznych A - Zebrane w tablicy wyniki pomiarów należy przeliczyć z „płaszczyzny obrazu” (lij) na „płaszczyznę próbki” (lpij) odrzucając cięciwy zaznaczone „* ” gdyż nie obrazują one całkowitej długości przecięcia węglików. Niezbędny przelicznik należy określić na podstawie obrazu wzornika wydrukowanego w punkcie III. W rezultacie wiadomo będzie ile µm w płaszczyźnie próbki odpowiada 1 mm w płaszczyźnie obrazu. Przeliczone wyniki należy stabelaryzować. B - Uzyskane wyniki należy podzielić na klasy wielkości przyjmując za granice klas (G) wartości obliczone z następującej relacji:
G n +1 = 2 n gdzie n = 0, 1, 2, 3,…
(5)
1 I
0>lpij≥1
1.41 II
1>lpij≥1.41
2 III
Granice klas G 2.83 4 Klasy wielkości IV V
2>lpij ≥ 2.83 2.83>lpij ≥ 4
5.66 VI
4>lpij ≥ 5,66
8 VII
5.66>lpij ≥ 8
VIII
8>lpij ≥ 11.31
1.41>lpij ≥ 2
C – Kolejny krok polega na określeniu liczebności (częstości występowania) cięciw lpij w kolejnych klasach wielkości czyli uzyskaniu odpowiedzi ile sztuk cięciw spełnia warunek np. dla V klasy wielkości czyli ile jest takich cięciw, które mają długość większą od 2.83 µm i mniejszą bądź równą 4 µm. Uzyskane wyniki należy stabelaryzować. D – Na podstawie opracowanych wyników należy zbudować wykres nazywany histogramem rozkładu wielkości cięciw. Oś rzędnych tego wykresu stanowią wartości granic klas G w układzie logarytmo – normalnym, natomiast oś odciętych to liczebność (częstość występowania) cięciw w danych klasach wielkości. E – Średnią wielkość węglików należy określić z wykresu jako wartość cięciwy lpij dla maksimum histogramu. W przypadku wykresów dwumodalnych należ podać obie z wartości dla lokalnych maksimów. IV. Komputerowe analizatory obrazu. Ćwiczenie polega na zapoznaniu studentów z: budową i zasadą działania komputerowego analizatora obrazu, podstawowymi operacjami wykonywanymi na obrazie takimi jak: a) erozja, b) dylatacja, c) otwarcie, d) zamkniecie, e) wygładzanie, f) wyostrzanie krawędzi, g) operacje logiczne, h) operacje arytmetyczne, i) binaryzacja, j) tworzenie obrazu etykietowanego, przygotowaniem obrazu do automatycznej analizy, wykonywaniem analiz.
3. Zaliczenie ćwiczenia Zaliczenie ćwiczenia następuje na podstawie dwóch pozytywnych ocen: pierwszej ze sprawdzianu wstępnego, drugiej z opracowanego indywidualnie sprawozdania. Sprawozdanie, oprócz wymienionych w p. I – IV wymagań, musi zawierać w podsumowaniu analizę porównawczą otrzymanych różnymi metodami (w ćwiczeniach I oraz III i IV) wyników oznaczeń udziału procentowego węglików. Student powinien potrafić wytłumaczyć skąd biorą się różnice w tych oznaczeniach. 4. Pytania kontrolne Opisać i zilustrować zasady, na których opiera się metalografia ilościowa. Wymienić metody siecznych. Opisać jedną z nich. Opisać metodę planimetryczną. Jakie parametry można określić przy zastosowaniu metody planimetrycznej. Jakie metody stereologiczne można zastosować w celu ilościowego scharakteryzowania struktur jednofazowych. Jakimi metodami można wyznaczyć udział wybranej fazy w strukturze wielofazowej. Opisać sposób określenia średniej wielkości ziarn struktury jednofazowej metodą Jeffriesa oraz Jeffriesa – Sałtykowa. Opisać znane parametry stereologiczne. Jak określić średnią wielkość wydzieleń dyspersyjnych w strukturze wielofazowej.
5. Literatura. 1. Ryś J.: Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków 1995. 2. Szala J.: Zastosowanie metod komputerowej analizy obrazu do ilościowej oceny struktury materiałów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001. 3. Wojnar L., Kurzydłowski K.J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu. Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków 2002.
05_metalografia ilosciowa
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: METODY I TECHNIKI BADAŃ TWORZYW METALICZNYCH ĆWICZENIA LABORATORYJNE
METALOGRAFIA ILOŚCIOWA
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z: − podstawowymi zasadami, na których opiera się metalografia ilościowa, − technikami stosowanymi w przeszłości, umożliwiającymi ilościową ocenę struktur metali, − zaleceniami Polskiej Normy PN-84/H-04507/01, − stosowanymi parametrami stereologicznymi, − budową i zasadą działania współczesnego, komputerowego analizatora obrazu, − podstawowymi operacjami wykonywanymi na obrazie, − zastosowaniem informacji opisujących struktury metali. 2. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie rozpoczyna się sprawdzeniem wiadomości studentów dotyczących podstawowych zasad, na których opiera się metalografia ilościowa oraz możliwych do określenia parametrów stereologicznych i technik ich uzyskiwania. Właściwe ćwiczenie składa się z 5 części, z których punkty I-III studenci realizują na zajęciach, punkt IV należy wykonać w domu, punkt V wykonuje prowadzący ćwiczenie podczas zajęć. I. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym przy zastosowaniu mikroskopu optycznego i przystawki Eltinor. Wylosowaną próbkę żeliwa student mocuje w saniach przystawki Eltinor zamocowanych na mikroskopie optycznym i dokonuje analizy 200 punktów. Na podstawie dokonanych pomiarów określa udział procentowy węglików eutektycznych w analizowanym materiale. II. Określenie stereologicznych cech struktury jednofazowej poprzez zliczanie ziarn metodą Jeffriesa lub Jeffresa-Sałtykowa. Na strukturze jednofazowej, student dokonuje 3 zliczeń liczb ziarn przypadających na 1 mm2 stosując metodę Jeffriesa lub Jeffresa-Sałtykowa. Dla każdego zliczenia, na podstawie podanych w PN-84/H-04507/01 wzorów, student określa następujące wartości: liczbę ziarn na powierzchni 1 mm2 m [mm-1], średnią średnicę ziarna dm [mm], średnią powierzchnię przekroju ziarna a [mm2]. Na podstawie wartości średnich wyznaczonych parametrów stereologicznych, student z tablic określa numer wielkości ziarna badanej struktury jednofazowej.
III. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym metodą siatki. Wylosowaną wcześniej próbkę żeliwa wysokochromowego, student mocuje na mikroskopie wyposażonym w kamerę podłączoną do komputera. Na próbce wybiera miejsce reprezentacyjne dla całej struktury i drukuje na formacie A4 „zamrożony” obraz odnotowując jednocześnie zastosowane powiększenie mikroskopowe. Przy tych samych ustawieniach mikroskopu, student dokonuje wydruku obrazu wzornika długości umieszczonego w miejscu próbki na mikroskopie. Obraz ten będzie potrzebny w ćwiczeniu IV. Do powierzchni wydrukowanego obrazu mikrostruktury żeliwa wysokochromowego student przykłada wcześniej przygotowaną na folii przezroczystej siatkę o 255 węzłach. Określa ilość węzłów siatki (ki) leżących w polu węglików. Czynność tą powtarza pięciokrotnie w różnych miejscach badanego obrazu. Dla każdego z pięciu pomiarów oblicza udział procentowy węglików (%Ki). Wynik końcowy stanowią wartość średnia z pięciu pomiarów (%K) oraz średnie odchylenie od wartości średniej ( %K). Wielkości te należy obliczyć z następujących równań:
%Ki = ki × 100 % 255
5 i =1 i
(1)
%K =
∑ %K
5
5
(2)
∆ %K =
∑ %K − %K
i =1
i
5
(3)
III. Określenie udziału procentowego oraz średniej wielkości węglików eutektycznych w żeliwie wysokochromowym metodą siecznych przypadkowych. Określenie udziału procentowego węglików eutektycznych A - Na powierzchnię wydrukowanej do realizacji Ćwiczenia III mikrostruktury, należy nanieść w sposób przypadkowy 10 siecznych (Lj) o długości 100 mm każda, zaznaczyć i opisać symbolami lij części wspólne siecznych i węglików nazywane cięciwami. Cięciwy, które nie są rezultatem całkowitego przecięcia wydzieleń węglików (cięciwy na skrajach siecznych) należy dodatkowo oznaczyć „* ”. B – Wszystkie cięciwy należy zmierzyć linijką z dokładnością do 0.5 mm a wyniki pomiarów stabelaryzować. Cięciwy skrajne należy dodatkowo oznaczyć w tabeli „* ”. C – Na tym etapie realizacji zadania można określić udział procentowy węglików (%K) w badanej strukturze. Do obliczeń można zastosować następujący wzór:
% K = 100% ×
∑∑ l
j =1 i =1 10
10
m
ij
∑L
j =1
(4)
j
Określenie średniej wielkości węglików eutektycznych A - Zebrane w tablicy wyniki pomiarów należy przeliczyć z „płaszczyzny obrazu” (lij) na „płaszczyznę próbki” (lpij) odrzucając cięciwy zaznaczone „* ” gdyż nie obrazują one całkowitej długości przecięcia węglików. Niezbędny przelicznik należy określić na podstawie obrazu wzornika wydrukowanego w punkcie III. W rezultacie wiadomo będzie ile µm w płaszczyźnie próbki odpowiada 1 mm w płaszczyźnie obrazu. Przeliczone wyniki należy stabelaryzować. B - Uzyskane wyniki należy podzielić na klasy wielkości przyjmując za granice klas (G) wartości obliczone z następującej relacji:
G n +1 = 2 n gdzie n = 0, 1, 2, 3,…
(5)
1 I
0>lpij≥1
1.41 II
1>lpij≥1.41
2 III
Granice klas G 2.83 4 Klasy wielkości IV V
2>lpij ≥ 2.83 2.83>lpij ≥ 4
5.66 VI
4>lpij ≥ 5,66
8 VII
5.66>lpij ≥ 8
VIII
8>lpij ≥ 11.31
1.41>lpij ≥ 2
C – Kolejny krok polega na określeniu liczebności (częstości występowania) cięciw lpij w kolejnych klasach wielkości czyli uzyskaniu odpowiedzi ile sztuk cięciw spełnia warunek np. dla V klasy wielkości czyli ile jest takich cięciw, które mają długość większą od 2.83 µm i mniejszą bądź równą 4 µm. Uzyskane wyniki należy stabelaryzować. D – Na podstawie opracowanych wyników należy zbudować wykres nazywany histogramem rozkładu wielkości cięciw. Oś rzędnych tego wykresu stanowią wartości granic klas G w układzie logarytmo – normalnym, natomiast oś odciętych to liczebność (częstość występowania) cięciw w danych klasach wielkości. E – Średnią wielkość węglików należy określić z wykresu jako wartość cięciwy lpij dla maksimum histogramu. W przypadku wykresów dwumodalnych należ podać obie z wartości dla lokalnych maksimów. IV. Komputerowe analizatory obrazu. Ćwiczenie polega na zapoznaniu studentów z: budową i zasadą działania komputerowego analizatora obrazu, podstawowymi operacjami wykonywanymi na obrazie takimi jak: a) erozja, b) dylatacja, c) otwarcie, d) zamkniecie, e) wygładzanie, f) wyostrzanie krawędzi, g) operacje logiczne, h) operacje arytmetyczne, i) binaryzacja, j) tworzenie obrazu etykietowanego, przygotowaniem obrazu do automatycznej analizy, wykonywaniem analiz.
3. Zaliczenie ćwiczenia Zaliczenie ćwiczenia następuje na podstawie dwóch pozytywnych ocen: pierwszej ze sprawdzianu wstępnego, drugiej z opracowanego indywidualnie sprawozdania. Sprawozdanie, oprócz wymienionych w p. I – IV wymagań, musi zawierać w podsumowaniu analizę porównawczą otrzymanych różnymi metodami (w ćwiczeniach I oraz III i IV) wyników oznaczeń udziału procentowego węglików. Student powinien potrafić wytłumaczyć skąd biorą się różnice w tych oznaczeniach. 4. Pytania kontrolne Opisać i zilustrować zasady, na których opiera się metalografia ilościowa. Wymienić metody siecznych. Opisać jedną z nich. Opisać metodę planimetryczną. Jakie parametry można określić przy zastosowaniu metody planimetrycznej. Jakie metody stereologiczne można zastosować w celu ilościowego scharakteryzowania struktur jednofazowych. Jakimi metodami można wyznaczyć udział wybranej fazy w strukturze wielofazowej. Opisać sposób określenia średniej wielkości ziarn struktury jednofazowej metodą Jeffriesa oraz Jeffriesa – Sałtykowa. Opisać znane parametry stereologiczne. Jak określić średnią wielkość wydzieleń dyspersyjnych w strukturze wielofazowej.
5. Literatura. 1. Ryś J.: Stereologia materiałów. Fotobit Design, Kraków 1995. 2. Szala J.: Zastosowanie metod komputerowej analizy obrazu do ilościowej oceny struktury materiałów. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001. 3. Wojnar L., Kurzydłowski K.J., Szala J.: Praktyka analizy obrazu. Polskie Towarzystwo Stereologiczne, Kraków 2002.
