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Die Materialographie ist eine Methode zur mikroskopischen Strukturabbildung und Analyse von Strukturbauteilen aus Feststoffen. Quantitative Bildanalysemethoden, wie die Röntgentomographie, sind hilfreich, um unterschiedliche Mikrostrukturen zu charakterisieren.
Diese sind jedoch oft mit kostspieligen Instrumenten verbunden. Die auf optischen Mikroskopen basierende Materialographie ist eine kostengünstige Alternative zur Untersuchung von Feststoffen. In einem früheren Video zur Materialographie haben wir das Thema Probenvorbereitung für die optische Materialographie behandelt.
In diesem Video wird nun veranschaulicht, wie die Bilder der vorbereiteten Probe mit den Prinzipien der statistischen Methoden und der Quantifizierung der dreidimensionalen Struktur eines festen Materials analysiert werden können.
Aus der optischen Materialographie werden Bilder nach drei Hauptmerkmalen analysiert: Porosität, Korndichte und effektive Dichte.
Schauen wir uns zunächst die Porosität an. Es ist definiert als der Teil des Volumens eines Materials, der nicht von Atomen besetzt ist. Dieser Hohlraumanteil in einem Material bestimmt seine mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften. Es wirkt sich auch auf seine Durchlässigkeit aus. Statistisch gesehen wird die Porosität auf einer repräsentativen zweidimensionalen Schicht einer Probe geschätzt, indem der Hohlraum durch die gesamte abgebildete Fläche normiert wird. Durch die Analyse mehrerer Bilder derselben Probe erhält man die mittlere Hohlraumfläche einer Probe. In ähnlicher Weise ergibt sich durch das Rastern der Bilder die durchschnittliche Anzahl der Punkte oder Pixel, Linie in der Leere, normiert durch die Gesamtzahl der Sondenpunkte, für die mittleren Leerraumpunkte einer Stichprobe.
Die zweite Eigenschaft von polykristallinen Werkstoffen ist die Korndichte. Bei der Aufnahme eines gerasterten Bildes wird es geschätzt, indem die Anzahl der Schnittpunkte eines Korns mit Testlinien quantifiziert wird. Die mittlere Anzahl der Schnittpunkte für alle Bilder ist ein Hinweis auf die durchschnittliche laterale Dimension eines Kristallkorns. Bei hochporösen Materialien kann die mittlere Korndichte auch über die mittlere Porosität ermittelt werden.
Die dritte Eigenschaft ist die effektive Dichte. Dabei werden das Porenvolumen in einem Material und die globale Dichte des Materials berücksichtigt. Hier kann die Porosität entweder durch die Parameter A oder P definiert werden. Wir werden nun sehen, wie wir diese drei Eigenschaften anhand von Bildern analysieren können, die aus der optischen Materialographie gewonnen wurden.
Die quantitative Analyse optischer Materialographie-Bilder erfordert das erforderliche Verfahren der Probenvorbereitung. Bitte beziehen Sie sich auf das Video Materialografie Teil eins für ein geeignetes Probenvorbereitungsprotokoll in vier Schritten: Schneiden, Einbetten, Polieren und Ätzen.
Betrachten wir nun die präparierte Probe einer Ringkernprobe. Für die Durchführung der optischen Materialographie-Analyse werden mehrere Bilder derselben Probe benötigt.
Verwenden Sie eine digitale Analysesoftware, bei der Pixel anhand ihrer Helligkeit kategorisiert und entsprechend gezählt werden können. Falls nicht vorhanden, kann die Analyse von Hand durchgeführt werden. Identifizieren Sie die leeren Bereiche. Wählen Sie im Menü unter Analysieren die Option Maßstab festlegen und wählen Sie die Entfernung in Pixeln aus. Wählen Sie dann Bild, Typ und 8-Bit, um das Bild in Graustufen zu ändern. Wählen Sie im Menü "Prozess" die Option "Binär" und "Binär erstellen", um den Kontrast Ihres Bildes zu maximieren. Wählen Sie abschließend im Menü "Analysieren" die Option "Partikel analysieren", um den Hohlraum in Mikrometereinheiten zu messen.
Nehmen Sie die Summe der Hohlraumbereiche und normalisieren Sie sie mit der gesamten abgebildeten Fläche, um den Parameter A zu erhalten. Wiederholen Sie den Vorgang für alle Bilder, um den Mittelwert von Parameter A zu erhalten. Überlagern Sie dann das Bild mit einem Raster. Die Schnittpunkte sind die Testpunkte. Zählen Sie die Anzahl der Testpunkte. Identifizieren Sie Porositätsbereiche und zählen Sie die Gesamtzahl der Testpunkte in ihnen. Normalisieren Sie um die Gesamtzahl der Testpunkte, um den Parameter P zu erhalten.
Wiederholen Sie die Berechnung für alle Bilder, um den mittleren Parameter P und das Delta des Stichprobenfehlers zu schätzen, wobei Sigma die Standardabweichung, n die Anzahl der Bilder, X-I die Stichprobenzahl I und U der Stichprobendurchschnitt ist.
Identifizieren Sie im zweiten Schritt der Analyse die Grenzen zwischen benachbarten Körnern und überlagern Sie dann das Bild mit einem Satz horizontaler Testlinien. Zählen Sie die Anzahl der Schnittpunkte zwischen den Prüflinien und den Korngrenzen und werten Sie den Parameter I-L aus.
Wiederholen Sie diesen Schritt, indem Sie die Linien um 90 Grad drehen. Wiederholen Sie den Vorgang dann für alle Bilder. Berechnen Sie die mittlere Korngröße des Schnittpunkts in horizontaler und vertikaler Richtung. Endlich kann die Korngröße abgeschätzt werden.
Drehen Sie abschließend die Linien um 30 Grad und 60 Grad und vergleichen Sie sie mit den vorherigen vertikalen und horizontalen Fällen. Beachten Sie die Kornform und den bevorzugten Ausrichtungswinkel. Dies ist ein Hinweis auf den Anisotropiegrad der Probe.
Die quantitative Analyse der mikroskopischen Struktur von Festkörpern mit optischer Mikroskopie ist für verschiedene Anwendungen nützlich. Die Untersuchung der Korngröße und -form in Mineralien trägt zum Verständnis der Gesteinsbildung unter extremen Bedingungen bei.
Aus diesem Grund erweist sich die materialographische Analyse als eine nützliche Methode für die Planetenerkundung. Polykristalline Proben können unterschiedliche Orientierungen ihrer Körner aufweisen. Bei Legierungen, die für Ölpipelines verwendet werden, beeinflusst beispielsweise die Orientierungsverteilungsfunktion direkt die axiale und quere mechanische Festigkeit dieser Legierungen.
Die Materialographie wird routinemäßig eingesetzt, um die Qualität von Legierungen zu überprüfen, die zum Bau von Ölpipelines dienen.
Sie haben gerade Joves Einführung in die optische Materialographie gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Bildanalyse verstehen, die zur Untersuchung der mikroskopischen Strukturen von Festkörpern verwendet werden. Sie sollten auch wissen, wie Sie Porosität, Korngröße und Dichte für verschiedene Materialien bestimmen können.
Danke fürs Zuschauen.
dieses Punktanteils , d. h. den Volumenanteil der Porosität in der Stichprobe.