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光学材料学 パート2:画像解析

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マテリアグラフィーは、固体材料の構造成分の顕微鏡的構造イメージングおよび解析のための方法である。X線断層撮影などの定量画像解析法は、多様な微細構造を特徴付けるのに役立ちます。

ただし、多くの場合、高額なインストルメンテーションが必要です。光学顕微鏡ベースの材料撮影は、固体材料を研究するための手頃な価格の代替手段です。マテリアグラフィに関する前回のビデオでは、光学材料グラフィのサンプル調製のトピックを取り上げた。

このビデオでは、統計的手法の原理と固体材料の三次元構造の定量化を用いて、調製したサンプルの画像を分析する方法を説明します。

光学的物質造影から、画像は空隙率、粒密度、有効密度の3つの主な特性に従って分析されます。

まず、空隙率を見てみましょう。これは、原子によって占有されていない材料の体積の割合として定義されます。材料のこの空隙部分は、その機械的、電気的、および光学的特性を決定します。また、その透過性に影響を与えます。統計的には、気孔率は、サンプルの代表的な2次元スライス上で、全画像領域によって正規化された空隙領域によって推定される。同じサンプルの複数の画像を分析することにより、1つはサンプルの平均ボイド領域を取得します。同様に、画像をラスタライズすることにより、平均ポイント数(ピクセル)は、合計プローブポイントによって正規化されたボイド内のラインに、サンプルの平均ボイドポイントを与えます。

多結晶材料の第2の特徴は、粒密度である。ラスタライズされた画像を撮ると、テストラインを持つ穀物の交点数を定量化して推定されます。すべての画像の平均交点数は、結晶粒の平均横寸法を示します。高空隙率材料の場合、平均粒密度は平均気孔率を介しても見つけることができます。

第3の特徴は有効密度である。これは、材料の細孔の体積と材料のグローバル密度を考慮に入れます。ここで気孔率は、パラメータAまたはPのいずれかによって定義することができる。次に、光学材料撮影から得られた画像に関するこれら3つの特性を解析する方法を見ていきます。

光学材料撮影画像の定量分析には、サンプル調製の前提条件手順が必要です。切断、取り付け、研磨、エッチングの4つのステップで適切なサンプル調製プロトコルについては、ビデオマテリアグラフィパート1を参照してください。

次に、トロイダルインダクタコアサンプルの調製サンプルを考えてみましょう。光学材料検査解析を実行するには、同じサンプルの複数の画像が必要です。

ピクセルを明るさに基づいて分類し、それに応じてカウントできるデジタル分析ソフトウェアを使用します。使用できない場合は、手で分析を行うことができます。ボイド領域を特定します。メニューの[解析]で、[スケールを設定]を選択し、距離をピクセル単位で選択します。次に、[イメージ]、[タイプ]、および [8 ビット] を選択して、イメージをグレースケールに変更します。[プロセス] メニューの [バイナリ] と [バイナリの作成] を選択して、イメージのコントラストを最大化します。最後に、[解析]メニューから[パーティクルを分析]を選択して、マイクロメータ単位でボイド領域を測定します。

ボイド領域の合計を取得し、合計画像領域で正規化してパラメータ A. すべてのイメージに対して繰り返し平均パラメータ A を取得します。次に、画像上にグリッドをオーバーレイします。交点はテスト ポイントです。テスト ポイントの数をカウントします。空隙率領域を特定し、その中のテスト ポイントの総数をカウントします。テスト ポイントの合計数で正規化し、パラメータ P を取得します。

すべての画像の計算を繰り返して、平均パラメータPとサンプリング誤差デルタを推定し、シグマは標準偏差、nは画像数、X-IはサンプルI、Uはサンプル平均を推定します。

解析の 2 番目のステップでは、隣接する粒の境界を特定し、画像上に水平テストラインのセットを重ね合わせます。テストラインと粒境界の間の交点数をカウントし、パラメータI-Lを評価します。

線を 90 度回転して、この手順を繰り返します。次に、すべての画像に対してこの手順を繰り返します。水平方向と垂直方向の平均切片粒サイズを計算します。ついに粒度を推定できる。

最後に、線を 30 度と 60 度回転させ、前の垂直および水平方向のケースと比較します。粒形状と好ましい向き角度を観察します。これは、サンプルの異方性レベルの指標です。

光学顕微鏡による固体材料の顕微鏡構造の定量分析は、様々な用途に有用である。鉱物中の粒径と形状の研究は、極端な条件での岩石形成の理解に寄与する。

このため、物質学的解析は惑星探査に有用な方法であることが証明されている。多結晶試料は、その粒の様々な向きを示し得る。例えば、石油パイプラインに使用される合金では、配向分布関数はこれらの合金の軸および横方向の機械的強度に直接影響を与えます。

マテリアグラフィーは、石油パイプラインの構築に役立つ合金の品質を検証するために日常的に使用されます。

ジョーブの光学マテリアグラフィの紹介を見たばかりですね。ここで、固体の顕微鏡構造を調査するために使用される画像解析の原理を理解する必要があります。また、さまざまな材料の空隙率、粒度、密度を決定する方法も知っている必要があります。

見てくれてありがとう。

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