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Materialografía óptica Parte 2: Análisis de imagen

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La materialografía es un método para la toma de imágenes de estructuras microscópicas y el análisis de componentes estructurales de materiales sólidos. Los métodos cuantitativos de análisis de imágenes, como la tomografía por rayos X, son útiles para caracterizar microestructuras variadas.

Sin embargo, a menudo implican una costosa instrumentación. La materialografía óptica basada en microscopios es una alternativa asequible para estudiar materiales sólidos. En un video anterior sobre materialografía, cubrimos el tema de la preparación de muestras para la materialografía óptica.

Este vídeo ilustrará ahora cómo analizar las imágenes de la muestra preparada, utilizando los principios de los métodos estadísticos y la cuantificación de la estructura tridimensional de un material sólido.

A partir de la materialografía óptica, las imágenes se analizan de acuerdo con tres características principales: porosidad, densidad de grano y densidad efectiva.

Veamos primero la porosidad. Se define como la fracción del volumen de un material que está desocupado por los átomos. Esta porción vacía en un material determina sus propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas. También afecta a su permeabilidad. Estadísticamente, la porosidad se estima en una rebanada bidimensional representativa de una muestra, por el área de vacío normalizada por el área de imagen total. Mediante el análisis de varias imágenes de la misma muestra, se obtiene el área anulante media de una muestra. Del mismo modo, al rasterizar las imágenes, el número medio de puntos, o píxeles, línea en vacío, normalizada por el total de puntos de sondeo, proporciona los puntos vacíos medios de una muestra.

La segunda característica de los materiales policristalinos es la densidad del grano. Tomando una imagen rasterizada, se estima cuantificando el número de intersecciones de un grano con líneas de prueba. El número medio de intersecciones para todas las imágenes es indicativo de la dimensión lateral media de un grano de cristal. Para materiales de alta porosidad, la densidad media de grano también se puede encontrar a través de la porosidad media.

La tercera característica es la densidad efectiva. Esto tiene en cuenta el volumen de poros en un material, y la densidad global del material. Aquí la porosidad se puede definir por los parámetros A o P. Ahora veremos cómo analizar estas tres características en imágenes obtenidas a partir de la materialografía óptica.

El análisis cuantitativo de las imágenes de materialografía óptica requiere el procedimiento de preparación de la muestra. Consulte la parte uno de la materialografía de vídeo para obtener el protocolo de preparación de muestras adecuado en cuatro pasos: corte, montaje, pulido y grabado.

Consideremos ahora la muestra preparada de una muestra de núcleo de inductor toroidal. Se necesitan varias imágenes de la misma muestra para realizar el análisis de materialografía óptica.

Utilice un software analítico digital donde los píxeles se pueden clasificar en función de su brillo y contar en consecuencia. Si no está disponible, el análisis se puede hacer a mano. Identifique las áreas vacías. En Analizar en el menú, seleccione Establecer escala y elija la distancia en píxeles. A continuación, seleccione Imagen, Tipo y 8 bits para cambiar la imagen a escala de grises. En el menú Proceso, seleccione Binario y Hacer binario para maximizar el contraste de la imagen. Por último, elija Analizar partículas en el menú Analizar para medir el área vacía en unidades de micrómetro.

Tome la suma de las áreas vacías y normalízala por el área de imagen total para obtener el parámetro A. Repetir para que todas las imágenes obtengan el parámetro medio A. A continuación, superponga una cuadrícula en la imagen. Los puntos de intersección son los puntos de prueba. Cuente el número de puntos de prueba. Identifique las áreas de porosidad y cuente el número total de puntos de prueba dentro de ellas. Normalizar por el número total de puntos de prueba para obtener el parámetro P.

Repita el cálculo para todas las imágenes para estimar el parámetro medio P y el delta de error de muestreo, donde sigma es la desviación estándar, n es el número de imágenes, X-I es la muestra I, y U es el promedio de la muestra.

En el segundo paso del análisis, identifique los límites entre los granos vecinos y, a continuación, superponga un conjunto de líneas de prueba horizontales en la imagen. Cuente el número de intersecciones entre las líneas de prueba y los límites de grano y evalúe el parámetro I-L.

Repita este paso girando las líneas 90 grados. A continuación, repita para todas las imágenes. Calcule el tamaño medio del grano de interceptación en la dirección horizontal y la dirección vertical. Por fin se puede estimar el tamaño del grano.

Finalmente, gire las líneas a 30 grados y 60 grados y compare con las cajas verticales y horizontales anteriores. Observe la forma del grano y el ángulo de orientación preferido. Esto es una indicación del nivel de anisotropía de la muestra.

El análisis cuantitativo de la estructura microscópica de materiales sólidos con microscopía óptica es útil para diversas aplicaciones. El estudio del tamaño del grano y la forma en los minerales contribuye a la comprensión de la formación rocosa en condiciones extremas.

Por esta razón, el análisis materialográfico demuestra ser un método útil para la exploración planetaria. Las muestras policristalinas pueden mostrar varias orientaciones de sus granos. Por ejemplo, en las aleaciones utilizadas para oleoductos, la función de distribución orientacional influye directamente en la resistencia mecánica axial y transversal de estas aleaciones.

La materialografía se utiliza habitualmente para verificar la calidad de las aleaciones que sirven para construir oleoductos.

Acabas de ver la introducción de Jove a la materialografía óptica. Ahora debe comprender los principios del análisis de imágenes utilizados para investigar las estructuras microscópicas de sólidos. También debe saber cómo determinar la porosidad, el tamaño del grano y la densidad de los diferentes materiales.

Gracias por mirar.

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