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Optische Materialographie Teil 2: Bildanalyse

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Materialographie ist ein Verfahren zur mikroskopischen Strukturbildgebung und Analyse von Strukturbauteilen von Feststoffen. Quantitative Bildanalysemethoden wie Röntgentomographie sind hilfreich, um verschiedene Mikrostrukturen zu charakterisieren.

Dabei handelt es sich jedoch häufig um kostspielige Instrumente. Optische mikroskopbasierte Materialographie ist eine erschwingliche Alternative zur Untersuchung fester Materialien. In einem früheren Video zur Materialographie haben wir uns mit dem Thema Probenvorbereitung für die optische Materialographie beschäftigt.

Dieses Video wird nun zeigen, wie die Bilder der vorbereiteten Probe unter Verwendung der Prinzipien der statistischen Methoden und quantifizierung der dreidimensionalen Struktur eines festen Materials zu analysieren.

Aus der optischen Materialographie werden die Bilder nach drei Hauptmerkmalen analysiert: Porosität, Korndichte und effektive Dichte.

Schauen wir uns zunächst die Porosität an. Es ist definiert als der Bruchteil des Volumens eines Materials, das von Atomen unbesetzt ist. Dieser Hohlraumanteil in einem Material bestimmt seine mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften. Es wirkt sich auch auf seine Durchlässigkeit aus. Statistisch wird die Porosität auf einem repräsentativen zweidimensionalen Teil einer Stichprobe geschätzt, indem die Leerfläche durch die gesamte abgebildete Fläche normalisiert wird. Durch die Analyse mehrerer Bilder derselben Probe erhält man den mittleren Hohlraumbereich einer Probe. Durch rastern der Bilder ergibt sich durch Rastern der durchschnittlichen Anzahl von Punkten oder Pixeln eine leere Linie, die durch die gesamten Prüfpunkt normalisiert wird, die mittleren Leerzeichen einer Stichprobe.

Das zweite Merkmal polykristalliner Materialien ist die Korndichte. Unter der Berücksichtigung eines gerasterten Bildes wird es geschätzt, indem die Anzahl der Schnittpunkte eines Korns mit Testlinien quantifiziert wird. Die durchschnittliche Anzahl der Schnittpunkte für alle Bilder ist bezeichnend für die durchschnittliche laterale Dimension eines Kristallkorns. Bei Materialien mit hoher Porosität kann die mittlere Korndichte auch durch die mittlere Porosität gefunden werden.

Das dritte Merkmal ist die effektive Dichte. Dabei werden das Volumen der Poren 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 diese drei Merkmale auf Bildern aus der optischen Materialographie analysiert werden können.

Die quantitative Analyse optischer Materialographiebilder erfordert das erforderliche Verfahren der Probenvorbereitung. Bitte beachten Sie den VideomaterialographieTeil eins für das entsprechende Probenvorbereitungsprotokoll in vier Schritten: Schneiden, Montieren, Polieren und Ätzen.

Betrachten wir nun die vorbereitete Probe einer toroidalen Induktivitätskernprobe. Für die optische Materialographieanalyse werden mehrere Bilder derselben Probe benötigt.

Verwenden Sie eine digitale Analysesoftware, bei der Pixel basierend auf ihrer Helligkeit kategorisiert und entsprechend gezählt werden können. Falls nicht verfügbar, kann die Analyse von Hand durchgeführt werden. Identifizieren Sie die leeren Bereiche. Wählen Sie im Menü Analysieren die Option Skalierung festlegen aus, und wählen Sie den Abstand in Pixel aus. Wählen Sie dann Bild, Typ und 8-Bit aus, um das Bild in Graustufen zu ändern. Wählen Sie im Menü Prozess Binary und Make Binary aus, um den Kontrast Ihres Bildes zu maximieren. Wählen Sie schließlich im Menü Analysieren die Option Partikel analysieren aus, um die Hohlraumfläche in Mikrometereinheiten zu messen.

Nehmen Sie die Summe der hohlen Bereiche und normalisieren Sie sie durch den gesamten abgebildeten Bereich, um den Parameter A zu erhalten. Wiederholen Sie dies für alle Bilder, um den mittleren Parameter A zu erhalten. Überlagern Sie dann ein Raster auf dem Bild. Die Schnittpunkte sind die Testpunkte. Zählen Sie die Anzahl der Testpunkte. Identifizieren Sie Porositätsbereiche und zählen Sie die Gesamtzahl der darin beraumten Testpunkte. Normalisieren Sie sich 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 Sampling-Fehlerdelta zu schätzen, wobei Sigma die Standardabweichung, n die Anzahl der Bilder, X-I das Beispiel I und U der Stichprobendurchschnitt ist.

Identifizieren Sie im zweiten Schritt der Analyse Die Grenzen zwischen benachbarten Körnern, und überlagern Sie dann eine Reihe horizontaler Testlinien auf dem Bild. Zählen Sie die Anzahl der Schnittpunkte zwischen den Testlinien und den Korngrenzen, und bewerten Sie den Parameter I-L.

Wiederholen Sie diesen Schritt, indem Sie die Linien um 90 Grad drehen. Wiederholen Sie dann für alle Bilder. Berechnen Sie die mittlere Schnittkorngröße in horizontaler und vertikaler Richtung. Endlich kann die Korngröße geschätzt werden.

Drehen Sie schließlich die Linien um 30 Grad und 60 Grad und vergleichen Sie sie mit früheren vertikalen und horizontalen Fällen. Beobachten Sie die Kornform und den bevorzugten Ausrichtungswinkel. Dies ist ein Hinweis auf den Anisotropiespiegel der Probe.

Die quantitative Analyse der mikroskopischen Struktur von Feststoffen 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 nützliche Methode zur Planetenerkundung. Polykristalline Proben können verschiedene Ausrichtungen ihrer Körner aufweisen. In Legierungen, die beispielsweise für Ölleitungen verwendet werden, beeinflusst die Orientierungsverteilungsfunktion direkt die axiale und transversale mechanische Festigkeit dieser Legierungen.

Materialographie wird routinemäßig verwendet, um die Qualität von Legierungen zu überprüfen, die zum Bau von Ölpipelines dienen.

Sie haben sich gerade Joves Einführung in die optische Materialographie angesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Bildanalyse verstehen, die verwendet werden, um die mikroskopischen Strukturen von Festkörpern zu untersuchen. Sie sollten auch wissen, wie Porosität, Korngröße und Dichte für verschiedene Materialien zu bestimmen.

Danke fürs Zuschauen.

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