CC BY
37
nr^TCz г Г,г^ГГГГ7ГГГгГ /100
-3 (62), 2011/ IVV
The interrelation between microstructure characteristics, defined on the basis of its computer image and properties of industrial facilities, produced at RUP «BMZ» is investigated.
А. Н. ЧИЧКО, О. А. САЧЕК, В. Ф. СОБОЛЕВ, С. Г. ЛИХОУЗОВ, О. И. ЧИЧКО, БНТУ, А. В. ВЕДЕНЕЕВ, РУП «БМЗ»
УДК 004.932+669
О ПУТЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ МИКРОСТРУКТУР ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ ТИПА «МИКРОСТРУКТУРА - СВОЙСТВА»
Целью настоящей работы является исследование взаимосвязей между характеристиками микроструктуры, определенными на основе ее компьютерного изображения, и свойствами промышленных объектов (катанка, проволока), изготавливаемых на РУП «БМЗ».
Для исследования взаимосвязей между структурой и свойствами проволоки и катанки были отобраны 60 образцов микроструктур катанки для десяти различных плавок. Образцы представляли собой фотографии поперечного сечения катанки диаметром 5,5 мм из сталей 80 БВ, 80К, из которых в последующем изготавливают бортовую проволоку в условиях производства РУП «БМЗ». Фотографии были сделаны на электронном микроскопе Vega II LMV-Tescan при увеличении 4000. Фотографическая съемка сечения катанки производилась по центру сечения с определенным шагом. Каждому образцу соответствует свой отличный от других набор технологических параметров и соответственно свои механические свойства, химический состав и др. Для каждой плавки были взяты фотографии для трех бунтов: 10-, 30- и 60-го. Для каждого бунта было отобрано не менее чем по 20 фотографий микроструктур. Таким образом, всего в расчетах использовалось не менее чем 20 • 3 • 10 = 600 фотографий микроструктур. Образцы № 1-6 соответствуют плавке № 304804, образцы № 7-12 - плавке № 304805, образцы № 13-18 - плавке № 304817, образцы № 19-24 -плавке № 300004, образцы № 25-30 - плавке № 300242, образцы № 31-36 - плавке № 300360, образцы № 37-42 - плавке № 305641, образцы № 43-48 - плавке № 305643, образцы № 49-54 -плавке № 305646, образцы № 55-60 - плавке
№ 306065. Изображения некоторых микроструктур приведены на рис. 1-3. Для каждого образца на рисунках приведены фотографии крайних и центральных участков поперечного сечения катанки.
Анализ всех представленных микроструктур показывает, что в них можно выделить несколько групп колоний с различным уровнем дисперсности межпластиночного перлита. С технологической точки зрения это может быть связано с тем, что образцы на разных участках в процессе прохождения металлом технологической цепочки охлаждаются с различной скоростью. Как известно, в зависимости от скорости охлаждения эвтектоид-ное превращение аустенит^перлит (феррит+це-ментит) может иметь и другие продукты распада, приводящие к образованию троостита, сорбита и бейнита, которые фактически являются одной из форм эвтектоидного превращения для разных скоростей охлаждения аустенита. На микроструктурах можно выделить различные участки в зависимости от степени осветленности, что связано со сложным пространственным распределением феррита и цементита. Следует отметить, что микроструктуры даже для одного образца различаются между собой. Это свидетельствует о статистическом характере распределения характеристик микроструктуры, подчиняющимся недетерминированным законам охлаждения заготовки. Следует отметить и то, что образцы взяты из катанки, которая получилась в результате из литой заготовки. При этом свойства литой заготовки и ее структура трансформируются под действием различного уровня обжатий в микроструктуры. Зерна в данной микроструктуре выявляются недостаточно
Ш1п г:тг^ г: гл^ггтглтггггг?
/ 3 (62), 2011-
Рис. 2. Изображения микроструктур перлитной стали образцов № 36-40: а - образец № 36; б -№ 37; в -№ 38; г -№ 39; д ■
№ 40
четко, что не позволяет такую характеристику как «площадь зерна» использовать в качестве характеристики микроструктуры.
В этом случае для обработки микроструктур можно предложить математическое описание микроструктуры в виде распределения межпласти-
ночных расстояний. Пусть Нр(а?пл) - функция, характеризующая распределение межпластиночных расстояний на видимой плоскости микрошлифа. Тогда изображение микроструктуры может быть заменено этой функцией распределения, т. е. речь идет о построении математической модели кон-
б
а
в
г
д
г^г: г г^штгггг /-¡ос
-3 (62), 2011/ 1ии
а б
Рис. 3. Изображения микроструктур перлитной стали образцов № 36-40: а - образец № 56; б - № 57; в - № 58; г - № 59;
д - № 60
Рис. 4. Этапы формализации микроструктуры и замены ее математической моделью
кретнои микроструктуры и замене реальной микроструктуры образца стали функцией, описывающей распределение межпластиночных расстояний.
На рис. 4 приведены этапы формализации микроструктуры, заключающиеся в замене ее множеством чисел, отражающим особенности межпластиночных расстояний эвтектоидной колонии. На последующих этапах эти модели будут использованы для установления взаимосвязей характеристик микроструктуры со свойствами стали.
С помощью программы автоматизированной обработки микроструктур перлитной стали «АОМ-1» [1] были рассчитаны функции распределения межпластиночных расстояний Ир(<Зпл) (рис. 5-7) и характеристики для всех образцов микроструктур катанки, приведенные в таблице.
В работе были использованы следующие характеристики, вычисленные по формулам:
п [4, - АЛ,,если Яр^^Яр^;1),
[С + если Яр(<-!)<Яр(С'), где к = агдтахСЯр^));
„ _ ЯИ^ЬЯрОС) .
д+к
2
2 2 (ЯРЮ-ЛР(0)'
к=1
в г
д
14 В _
IV и I 3 (62), 2011-
Значения характеристик функции распределения межпластиночных расстояний в перлите катанки для различных
образцов
Характеристика Номер образца
1 2 3 4 5 36 37 38 39 40 56 57 58 59 60
Р1, мкм 0,136 0,145 0,136 0,136 0,138 0,136 0,152 0,165 0,144 0,149 0,147 0,150 0,160 0,155 0,161
Р2, мкм 0,25 0,248 0,245 0,249 0,234 0,195 0,243 0,263 0,239 0,253 0,243 0,240 0,243 0,255 0,260
Р3, мкм 0,41 0,484 0,432 0,401 0,475 0,553 0,469 0,434 0,483 0,462 0,492 0,497 0,477 0,437 0,419
Р4, о. е. 0,443 0,443 0,442 0,437 0,445 0,446 0,452 0,455 0,449 0,448 0,455 0,458 0,458 0,453 0,452
Р5, о. е. 0,003 0,003 0,004 0,003 0,003 0,004 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
Рб, о. е. 0,077 0,073 0,086 0,078 0,083 0,104 0,072 0,062 0,080 0,073 0,078 0,077 0,071 0,075 0,077
Р7, о. е. 0,246 0,235 0,261 0,242 0,281 0,340 0,222 0,191 0,243 0,224 0,241 0,239 0,217 0,215 0,209
P8, о. е. 0,413 0,411 0,436 0,404 0,478 0,557 0,395 0,352 0,420 0,392 0,422 0,423 0,394 0,373 0,359
Р9, о. е. 0,548 0,556 0,573 0,535 0,621 0,705 0,541 0,496 0,563 0,535 0,570 0,574 0,547 0,512 0,495
pю, о. е. 0,661 0,674 0,682 0,646 0,729 0,809 0,660 0,621 0,680 0,655 0,687 0,694 0,673 0,631 0,614
Р1Ъ о. е. 0,795 0,807 0,806 0,787 0,843 0,912 0,804 0,772 0,817 0,798 0,818 0,825 0,816 0,775 0,766
Р12, о. е. 0,915 0,919 0,914 0,919 0,932 0,976 0,929 0,912 0,933 0,917 0,923 0,931 0,930 0,913 0,909
P13, о. е. 0,961 0,96 0,959 0,968 0,964 0,992 0,973 0,959 0,971 0,960 0,963 0,968 0,969 0,965 0,964
Р14, о. е. 0,993 0,993 0,994 0,996 0,993 0,999 0,998 0,993 0,995 0,991 0,994 0,993 0,996 0,996 0,996
Рис. 5. Функции распределения межпластиночных расстояний в перлите катанки НР(<<пл) для образцов № 1-5 (см. рис. 1): 1 - образец № 1; 2 - № 2; 3 - № 3; 4 - № 4; 5 - № 5
Рис. 6. Функции распределения межпластиночных расстояний в перлите катанки ЯР(<1пл) для образцов № 36-40 (см. рис. 2): 1 - образец № 36; 2 - № 37; 3 - № 38; 4 - № 39; 5 -
№ 40
Рис. 7. Функции распределения межпластиночных расстояний в перлите катанки НР(<<пл) для образцов № 56-60 (см. рис. 3): 1 - образец № 56; 2 - № 57; 3 - № 58; 4 - № 59; 5 -
№ 60
к+1 . нИОС;
¡=¿-1
Ра =
4 Ь 11 1=1У=1
1=1
Р1 Р2 РЗ Р4 Р5 Р6 Р7 Р8 Р9 Р10 Р11 Р12 Р13 Р14 Параметры микроструктуры
Рис. 8. Гистограммы значений коэффициентов парных корреляций между параметрами микроструктуры и характеристиками химического состава: 1 - [С]т1П; 2 - [С]тах; 3 -[Сг]; 4 - [N1]
характеристика Р1 (мкм), характеризующая преобладающее межпластиночное расстояние микроструктуры; характеристика Р2 (мкм), характеризующая среднее межпластиночное расстояние микроструктуры; характеристика Р3 (мкм), характеризующая приведенное межпластиночное расстояние, соответствующее максимальному значению функции распределения НР(<пл); характеристика Р4 (о. е.), характеризующая долю цементитных пластин ми-
Р5 Р6 Р7 Р8 Р9 Р10 Р11 Р12 Р13 Р14 Параметры микроструктуры
Рис. 9. Гистограммы значений коэффициентов парных корреляций между параметрами микроструктуры и свойствами проволоки: 1 - разрывное усилие; 2 - относительное удлинение; 3 - число скручиваний проволоки; 4 - степень расслоя
кроструктуры; группа характеристик Р5-Р14 (о. е.), характеризующих доли межпластиночных расстояний микроструктуры в различных диапазонах от dm{n до 4, где 4г = 0,04г; 7 = 5, 14; = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 16, 26.
На основе составленных исходных данных была получена матрица корреляций, по которой были построены гистограммы. На рис. 8, 9 приведены данные для коэффициентов информативности, которые вычислялись как К = RjJ■. Как видно из рисунков, почти для всех характеристик микроструктуры имеются абсолютные значения коэффициентов корреляции большие 0,5, что говорит о существовании влияния микроструктуры на свойства катанки. Для проверки адекватности полученных взаимосвязей между характеристиками микроструктуры и свойствами образцов были определены критерии Фишера. Вычисленные значения критериев (от 0,64 до 0,76) меньше критического значения (1,4) и, следовательно, указанные взаимосвязи можно считать адекватными.
Установленные корреляции свидетельствуют о возможности построения многомерных регрессионных зависимостей, связывающих свойства металлургической продукции и характеристики микроструктуры катанки, причем в качестве характеристик микроструктур могут быть использованы разнообразные комбинации вышеописанных дескрипторов, а также их модификации, позволяющие повышать описательную способность регрессионных моделей. Например, одна из полученных зависимостей для предела прочности катанки (коэффициент множественной корреляции 0,81) имеет вид
с = -368,70 + 1798,43Р3 + 1178,70Р6 + 2833,03Р8 - 1524,44Р9 - 1053,44Р13 + 1784,68Р14.
С использованием разработанного программного обеспечения была решена задача классификации образцов стальной проволоки с различной
лгтг^ г: кт г /лтгггт /107
-3 (62), 2011 / IUI
степенью расслоения на основе статистической функции распределения межпластиночных расстояний. В качестве характеристики стальной проволоки использовали показатель, используемый на РУП «БМЗ» в качестве характеристики степени расслоения проволоки. На основе промышленных данных были выбраны две группы образцов и микроструктур, которые в дальнейшем будем называть как группы А и Б. Степень расслоя образцов первой группы А составляла не более 7% (число образцов группы равно 42), степень расслоя для образцов группы Б - более 7% (число образцов группы равно 18). Так, на рис. 10 приведены одиночные (для каждого образца) и усредненные функции распределения HP(dra) двух групп А и Б. Как видно из рисунка, функции распределения для образцов первой группы с меньшей степенью расслоя имеют более ярко выраженный пик функции распределения по сравнению с аналогичными кривыми, описывающими образцы второй группы, т. е. проволока с меньшей степенью расслоя характеризуется большим значением преобладающего расстояния и соответственно имеет более однородную структуру по сравнению с проволокой из группы с большей степенью расслоя.
Аналогичные исследования были проведены для величины содержания углерода в проволоке. Группу А составляли образцы со значениями содержания углерода не более 0,80 % (число образцов равно 24), группу Б - образцы со значениями
б
Рис. 10. Одиночные (60 шт.) и усредненные статистические функции распределения межпластиночных расстояний, рассчитанные по изображениям микроструктур образцов двух групп катанки, с разными значениями степени расслоя проволоки: 1 - образцы группы А; 2 - образцы группы Б; а - одиночные функции распределения; б - усредненные функции распределения
а
138
ми м г: мтпглгита
3 (62), 2011-
а б
Рис. 11. Одиночные (48 шт.) и усредненные статистические функции распределения межпластиночных расстояний, рассчитанные по изображениям микроструктур образцов двух групп катанки, с разными значениями содержания углерода в катанке: 1 - образцы группы А; 2 - образцы группы Б; а - одиночные функции распределения; б - усредненные функции
распределения
более 0,81 % (число образцов равно 24). На рис. 11 показаны функции распределения НР(^пл) двух групп образцов А и Б. Как видно из рисунка, кривые для образцов первой группы с меньшим содержанием углерода имеют в большинстве своем более ярко выраженный пик функции распределения по сравнению с образцами второй группы, т. е. проволока с большим содержанием углерода ха-растеризуется большим значением преобладающе-
го расстояния и соответственно имеет более однородную структуру по сравнению с проволокой из группы с меньшим содержанием углерода.
Таким образом, применение дескрипторов изображения микроструктур перлитной стали открывает новые возможности для исследования взаимосвязей между свойствами сплавов (свойствами промышленной продукции) и параметрами микроструктуры.
Литература
1. Свидетельство о регистрации компьютерной программы АОМ-1: 085 / А. Н. Чичко, О. А. Сачек, С. Г. Лихоузов, А. В. Веденеев, Е. П. Барадынцева, В. Ф. Соболев В. Ф. № С20090028; заявл. 11.06.2009; зарег. 16.06.2009.
2. Ч и ч к о А. Н., С а ч е к О. А., Л и х о у з о в С. Г. Методы автоматизации обработки изображений микроструктур перлитных сталей // Информационные технологии. 2010. № 7. С. 71-77.
