Оглавление
1 Постановка задачи. .......................................................................................................................... 2
2 Материалы и методы исследования .............................................................................................. 3
2.1 Исходные данные ...................................................................................................................... 3
3 Расчетная часть ................................................................................................................................ 6
3.1 Процедура и результаты обработки изображения ................................................................. 6
3.1.1 Обработка изображения для определения удельной доли графита ................................ 6
3.2 Процедура и результаты количественной обработки изображений .................................... 9
3.2.1 Количественная обработка изображения для определения удельной доли графита .... 9
3.2.2 Количественная обработка изображения для определения среднего размера графита
.................................................................................................. Ошибка! Закладка не определена.
Выводы ............................................................................................................................................ 171
Список используемой литературы ............................................................................................... 181
1 Постановка задачи
Дендритная структура, сталь 38ХН3МФА, степень обжатия слитка 1.5. В нижней части
фотографии миллиметровая бумага.
Определить зоны ликвации.
Изучить вид гистограммы распределения дендритов по размерам и направлению
(анизотропия формы).
Определить минимальный представительный размер образца для исследования.
Сделать выводы о качестве изделия
2 Теоретический анализ
2.1 Кривые охлаждения при кристаллизации
При достижении температуры кристаллизации на кривой температура - время
появляется
горизонтальная
площадка
(кривая
так
как
отвод
тепла
компенсируется
выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. По окончании
кристаллизации, т.е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает
снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс
кристаллизации
изображается
кривой
1.
Кривая
2
показывает
реальный
процесс
кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения лежащей
ниже теоретической температуры кристаллизации. При охлаждении ниже температуры Ts
создаются энергетические условия, необходимые для протекания процесса кристаллизации.
Рисунок 1 – Кривые охлаждения при кристаллизации
У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота плавления
выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура
2
скачкообразно повышается, приближается к теоретической (кривая 3, рисунок 1). Так
кристаллизуется, например, сурьма
Чем больше скорость охлаждения, тем больше величина переохлаждения. Для того
чтобы полностью переохладить металл в жидком состоянии, требуются большие скорости
охлаждения (миллионы и даже миллиарды градусов в секунду), охлаждение жидкого металла
до комнатной температуры следует проводить так, чтобы получить переохлажденный жидкий
металл (т.е. металл, не имеющий кристаллического строения) за ничтожную долю секунды.
Такой металл называется аморфным или металлическим стеклом, который начинает
применяться на практике.
2.2 Форма кристаллов
Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных
факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения
может стать в количественном отношении второстепенной.
При кристаллизации из жидкого состояния для скорости течения процесса и для формы
образующихся кристаллов первостепенное значения процесса и для формы образующихся
кристаллов первостепенное значение приобретают такие факторы, как скорость и направление
отвода тепла, наличие не растворившихся частиц (которые могут служить готовыми центрами
кристаллизации), конвекционных токов жидкости и т.д.
а
Рисунок 2 – Схема дендрита (а) и кристалл Чернова (б)
3
б
В направлении отвода тепа кристалл расчет быстрее, чем в другом направлении.
Если на боковой поверхности растущего кристалла возникает бугорок. то кристалл
приобретает способность расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный
кристалл, так называемый дендрит [2].
Дендритное строение типично для литого металла. Если условия благоприятны,
охлаждение медленное, то могут вырасти огромного размера дендриты.
Дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви (оси второго
и последующего порядка).
Чем быстрее было охлаждение при кристаллизации, тем меньше размеры (высота)
дендрита и меньше расстояния между ветвями второго порядка d, равные: d~voxл1/3.
При очень большой скорости охлаждения, например, при распылении жидкого металла в
отдельные гранулы (круглые частицы диаметром 0,01-0,1 мм), дендриты имеют размеры
порядка 100 мкм, а расстояние между осями второго порядка 1-5 мкм.
2.3 Строение слитка металла
Реальный
процесс кристаллизации
осложняется влиянием
побочных
факторов.
Сочетание влияния этих привнесенных факторов (часто не поддающихся точному учету) с
общими законами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка.
Описание строения стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Остальные
характерные черты в строении литого металла были отмечены тогда Д.К. Черновым, хотя
многочисленные последующие негодования вскрыли много новых деталей.
4
Рисунок 3 – Схема строения слитка
Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная
мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов.
При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого
металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к
образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает
мелкозернистое строение.
Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки
условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры
стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого
металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В
результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально
ориентированные к поверхности корки (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые
кристаллы.
Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет
определенной направленности отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает
почти совершенно уравниваться в различных точках, и жидкость обращается как бы в
кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов.
Далее зачатки разрастаются осями - ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с
другом» (Чернов Д.К.). В результате этого процесса образуется равноосная структура.
Зародышами
кристалла
здесь
являются
обычно
различные
мельчайшие
включения,
присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в
жидком металле [3].
В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и
газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью.
Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название
транскристаллизации.
3 Материалы и методы исследования
3.1 Исходные данные
Дендритная структура, сталь 38ХН3МФА, степень обжатия слитка 1.5. В нижней части
фотографии миллиметровая бумага (рисунок 4)
5
Рисунок 4 – Дендритная структура стали 38ХН3МФА после обжатия
Объектом исследования в данной работе является снимок высокого разрешения поковки
из стали марки 38ХН3МФА
4 Расчетная часть
4.1 Процедура и результаты обработки изображений
Исходное изображение было обработано в программе ImageExpertPro 3.7.
Последовательность обработки изображения:
На первом этапе изображение нужно было обрезано, чтоб определить масштабный
коэффициент из шкалы на миллиметровой бумаги (рисунок 5).
Рисунок 5 – Миллиметровая бумага после обрезки из исходного изображения
Т.к. масштабные линейки будут существенно искажать обработку, и был рассчитан
масштабный коэффициент, который составил 0,33 мкм/пикс. Далее была проведена обработка
изображения.
6
Данная работа преследует следующие цели: нахождение минимального поля для анализа
структур, количественный анализ дендритной структуры и сравнение различных типов
дендритных структур.
3.1.1 Обработка изображения для определения долю графита
Для упрощения восприятия плана работы можно выделить несколько этапов
1) Разбить изображение на участки соответствующие своей структуре.
2) Провести первичный анализ изображений
3) Провести коррекцию
4) Найти наименьшие зоны для анализа
5) Разбить каждую зону на максимальное количество участков советующих минимальному
размеру поля
6) Полученные изображения подготовить к дальнейшему исследованию
7) Бинаризировать изображение, произвести снятие показаний
8) Проанализировать полученный материал и сделать выводы
Подготовка материала к исследованию
Полученное изображение посредством программ для работы с изображениями было
разделено на 3 зоны(), каждая из которых соответствовала своему виду дендрита. Так как зоны
хорошо визуально отличаются друг от друга, то достаточно для разделения было удалить
небольшие полосы изображения, соответствующие границам перехода из одной области в
другую.
Рисунок 6 – Разделение исходного изображения на 3 зоны по виду дендритов
7
Расчет минимального размера поля снимка:
Для расчета поля, каждая область дробилась по следующей схеме().
Рисунок 7 – Схема поиска наименьшего размера зоны для анализа
После получения минимального размера поля, каждая область дробилась на участки для
дальнейшего исследования (рисунок 8)
Изложница
8
Край
9
Центр
10
Рисунок 8 – Дендритная структуда разных мест после вырезки
Следующим этапом в работе была обработка этих участков в соответствии с замечаниями к
работе
1. Обработка группы –> Коррекция –> Палитра –> Серый
2. Фильтрация –> Цифровая фильтрация –> Качественные –> Высокочастотный
3. Фильтрация –> Цифровая фильтрация –> Качественные –> Медианный (радиус 1)
4. Фильтрация –> Цифровая фильтрация –> Спектральные –> Градиент
11
5. Коррекция –> Бинаризация по заданному уровню
В результате обработки получаем бинарные изображения структуры (Рисунок 9).
12
Край
13
Центр
Рисунок 9 – Бинарные изображения после бинаризации.
14
После бинаризации определяются параметры средние размеры включения графита и средная
площадь графита на металлической основе.
3.2 Процедура и результаты количественной обработки изображений
3.2.1 Количественная обработка изображения для определения удельной доли включений
графита
Обработка группы –> получение пробы цвета от изображения –> информация о всех объектах
После графической обработки и бинаризации, для каждого изображения были получены
значения величин тангенсов углов, доли дендритной структуры и построены гистограммы для
анизотропии (зависимость степени анизотропии и угла).
По каждой области было построено несколько гистограмм. Каждая область имеет очень
схожие распределения. Только по одному виду распределений можно с уверенностью
утверждать о принадлежности данного распределения к какой-либо зоне. На следующем
рисунке показан способ визуальной оценки области на примере ярко-выраженной краевой
зоны().
Количественная обработка группы изображений (Рисунок – 10) дала следующие
результаты.
Рисунок 10 – Визуализация вида гистограммы для человеческого фактора
После анализа всех областей можно составить типовую таблицу распределений,
позволяющую безошибочно определить область исследуемого материала ().
15
Рисунок 11 – Сводная таблица областей и различных видов анализа.
Таким образом полученные данные позволяют моментально определить область и тип
дендритной структуры.
Средние значения параметров по критерию анизотропия приведны ниже (таблица 1)
Таблица 1 – параметры анизатропия дендритной структуры разных зон
16
Выводы
Зона центра сильно отличается от двух других зон как визуально, так и по критерию
анизотропии. Данное различие между зонами обусловлено повышенной дисперсностью
дендритов и практически отсутствующим направлением их роста, что в свою очередь
объясняется равномерным охлаждением слитка
17
Список использованных источников
1 Гуляев А.П, Гуляев А.И., Металловедение., М.: ИДАльянс, 2011. – с. 644.
2 Новиков И.И, Золоторевский В.С., Металловедение, М.: Издательский Дом МИСиС, 2009. – с.
496..
3 Лахтин Ю.М., Металловедение и термическая обработка металлов, Металлургия, 1993, 448 c.
4 Воскобойников В.Г. и др. , Общая металлургия, М.: ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с.
18