CC BY
31
УДК 631.3.002.3
Д. А. Перфильев, Г. М. Цибульский
ОБЛАСТЬ КОНЦЕНТРАЦИИ СЕГМЕНТОВ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Предлагается анализ концентрации сегментов как области изображений.Рассмотрен признак, позволяющий оценить концентрацию сегментов микроструктурных металлографических изображений деформируемых алюминиевых сплавов.
Одним из основных источников информации о свойствах металлов и сплавов в современном металлургическом производстве служат металлографические изображения (МГИ). Автоматизированный анализ МГИ позволяет решать задачи проведения качественного контроля выпускаемой продукции.
Приведем типичные микроструктурные изображения деформируемых алюминиевых сплавов 2007 и АМг6. Экспериментальный сплав 2007 относится сплавам системы «алюминий-медь», упрочняемым термической обработкой (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктурные изображения деформируемых алюминиевых сплавов: а - 2007 и б - АМг6
Изображения были получены посредством светового микроскопа Ки-2Е и цифровой фотокамеры №коп COOLPIX 950 с шлифов, вырезанных из центральной части слитков, подвергнутых механической полировке на шлифовально-полировальном станке Rotopol/Rotoforse с последующим травлением реактивом Келлера с целью выделения фазовой структуры сплавов.
На изображении сплава 2007 представлены: а-твердый раствор (относительно большие, светлые области) и два класса значимых компонент - области монотектики свинца (относительно темные области округлой формы) и эвтектики (темные области вытянутой формы из перемежающихся черных и серых областей произвольной конфигурации).
На изображении сплава АМгб представлены: а-твер-дый раствор (большие, светлые области) и два класса значимых компонент - интерметаллидная фаза Al3Mg2 (относительно темные области с включенными во внутрь светлыми областями а-твердого раствора) и эвтектика, содержащая фазы Mg2Si и А1^еМп (представленны на изображении областями, состоящими из перемежающихся черных и серых областей произвольной конфигурации).
Известно, что размер, форма и состав значимых компонент деформируемых алюминиевых сплавов является важным признаком, характеризующим свойства металла. Наиболее значимой компонентой является эвтектика. Изменение свойств эвтектики приводит к изменению прочности и пластичности сплавов [1; 2].
Однако не только размер, форма и состав значимых компонент являются важными признаками, характеризующими свойства металлов и сплавов, важно и их расположение.
В работах [3; 4] приводятся практические результаты исследований микроструктурных изображений различных металлов и сплавов, в которых отмечается, что относительная разновидность расположения значимых компонент (далее области «сегмент» изображений) характеризует свойства металлов и сплавов. На сегодня такой анализ выполняется на основе опыта металловеда-эксперта.
В целях дальнейшей автоматизации анализа МГИ удобно ввести признак, позволяющий выделить расположение сегментов или их концентрацию.
В работе предлагается вычислять значение признака «концентрации сегментов» с.(г‘), используя следующие соотношение:
с(ё) = / ДЖ, (1)
где - цель металлографического анализа (класс значимых компонент изображений); ДNS - площадь треугольной области, образованной тремя «центрами тяжести» сегментов, находящихся на минимальном евклидовом расстоянии друг от друга; Ш. - сумма площадей сегментов, представляющих вершины треугольной области.
Следует отметить, что в отличие от областей «сегмент» контур областей «концентрации сегментов» в явном виде на изображениях отсутствует. Однако различие в расположении «сегментов» очевидно.
В основу алгоритма выделения областей «концентрации сегментов» положено построение триангуляционной диаграммы [5]. Суть алгоритма заключается в том, что изображение разбивается на треугольные области минимальной площади. Вершинами треугольных областей являются точки, представляющие геометрические центры тяжести «сегментов», находящихся на минимальном евклидовом расстоянии друг от друга.
Показан результат построения триангуляционных диаграмм сегментированных изображений сплавов 2007 и АМгб (рис. 2).
Рис. 2. Триангуляционные диаграммы сплавов: а - 2007 и б - АМгб
В дальнейшем на основе значения признака «концентрации сегментов» осуществляется выделение ее областей.
Показан результат выделения областей концентрации эвтектики сплавов 2007 и АМгб (рис. 3).
Рис. 3. Результат выделения областей концентрации эвтектики сплавов: а - 2007 и б - АМгб
Области с относительно высокой концентрацией сегментов (эвтектики) представлены на изображениях более темным тоном. Светлым тоном представлена фоновая концентрация.
В качестве фоновой концентрации Лс.(^) фигурирует величина, которая удовлетворяет требованиям качественного сплава. Наиболее качественные свойства сплав имеет, если значимые компоненты имеют удовлетворительные размеры и равномерно расположены по всему исследуемому участку изображения.
Обычно такое расположение значимых компонент имеется в центральной части слитков, а на периферии картина существенно изменяется. Однако зачастую на МГИ отмечаются области с относительно низким или относительно высоким содержанием значимых компонент.
Значение признака концентрации области «фон» изображений определенного металла или сплава определяется на основе автоматического определения среднего значения распределения признака «концентрации сегментов» по всей триангуляционной диаграмме изображений и его корректировки на основе опыта металловеда-эксперта.
В эксперименте были использованы двадцать микро-структурных изображений, представляющих микроструктуру центральной части слитков деформируемых алюминиевых сплавов АМгб и 2007. Эксперименты проводились с помощью программно-аппаратного комплекса, осуществляющего анализ микроструктурных МГИ деформируемых алюминиевых сплавов. В состав комплекса вошли: микроскоп Ки-2Е, цифровая фотокамера Кікоп СООЬРГХ 950, ПК ІВМ, (Сеіегоп 1,8 ГГц, ОЗУ 512 Мб) и оригинальное программное обеспечение «анализа микроструктур-ных МГИ деформируемых алюминиевых сплавов».
Были выполнены: сегментация изображений, идентификация областей эвтектики, построена триангуляционная диаграмма, определены значения площадей «сегментов» и треугольников диаграммы, а также вычислены значения признака концентрации треугольников диаграммы и области «фон».
На начальном этапе анализа изображений нового сплава возникала необходимость корректировки решающего правила выделения концентрации области «фон».
Для корректировки значений признака концентрации области «фон» эксперту металловеду предлагалось выполнить следующие шаги:
- самостоятельно изменить значение признака концентрации области «фон»;
- вцелях более точного анализа задавалась количественная шкала «концентрации сегментов» и дополнительные точки, характеризующие «концентрацию сегментов». Например, могли быть заданны интервалы, характеризующие неудовлетворительную, удовлетворительную и хорошую концентрацию сегментов.
В дальнейшем металловеду-эксперту предлагалось изменить значения интервалов (обычно металловедом экспертом выполнялось сужение одного из интересующих его интервалов).
В ходе эксперимента было отмечено, что области «сегмент», имеющие относительно большие размеры и разнородный состав, обычно группируются в некоторой части изображений, формируя области высокой «концентрации сегментов». Кроме этого было отмечено, что фазовая структура центрального участка отливок одного сплава обладает общностью строения. Это позволило значительно сократить необходимый ресурс,
связанный с корректировкой значения концентрации области «фон».
Дополнительные эксперименты с корректировкой интервалов имели целью выявление возможных изменений формы и расположения областей «концентрации сегментов» изображений, что позволило прогнозировать изменения свойств исследуемого сплава.
В результате экспериментов на изображениях сплавов АМгб и 2007 были выделены области, характеризующие концентрацию значимых компонент металлографических изображений. Дополнительно области «концентрации сегментов» помечались цифрами и на изображениях. Кроме этого, результаты были представлены дополнительно к результатам, количественного металлографического анализа (ГОСТ 21073).
Представлен фрагмент таблицы количественного металлографического анализа областей «концентрации сегментов» (таблица).
Результаты количественного металлографического анализа
Количество областей концентрации сегментов включая «фон», шт
Расчетное значение «концентрации сегментов»
области «фон» Дс,(?)
Низкая концентрация Дс/г*)
Удовлетворительная концентрация Дс1(г*)
Хорошая концентрация ДсДг*)
Высокая концентрация Дс4(г‘)
Значения признака областей «концентрации сегментов»
Область 1/ площадь, мм2
Область N/ площадь, мм2
Признаки областей «концентрации сегментов»
Метрические признаки областей «концентрации сегментов»
Площадь области «фон», мм2
Площадь области 1, мм2
Площадь области Ы, мм2
Параметрические признаки областей «концентрации
сегментов»
Компактность
Область 1
Область N
Равнооснасть
Область 1
Область N
Состав областей «концентрации сегментов»
Область 1, шт
Область N, шт
Область «фон». шт
В дополнении к таблице металлографического анализа отображены признаковые и структурные свойства об-
ластей «концентрации сегментов» [6-9]. В качестве признаков идентифицирующих форму областей «концентрации сегментов» использовались: «компактность», «рав-ноосность» и признак «концентрации сегментов». В качестве структурных признаков использовались признаки, характеризующие состав областей «концентрации сегментов».
На основании полученных результатов в целом можно сделать вывод об адекватности предложенного признака «концентрации сегментов».
Библиографический список
1. Хансен, М. Структура двойных сплавов : в 2 т. / М. Хансен ; пер. с англ. К. Андерко. М. : Металлургиздат, 1962. Т. 1. 608 с; т. 2. 608-1488 с.
2. Элиот, Р. Структура двойных сплавов: в 2 т. / Р. Элиот. М. : Металлургия, 1970, Т. 1. 455 с. ; т. 2. 456-472 с.
3. Конева, Н. А. Эволюция структуры и зарождение разрушения / Н. А. Конева, Л. И. Тришкина, Э. В. Козлов // Современные вопросы физики и механики материалов ; под ред. З. П. Каменцева. СПб. : Сиб. гос. ун-т, 1997. С. 322-332.
4. Элиот, Р. Управление эвтектическим затвердеванием / Р. Элиот ; под ред. Л. С. Швиндлермана М. : Металлургия, 1987. 352 с.
5. Препарата, Ф. Вычислительная геометрия: Введение / Ф. Препарата. М. : Мир, 1989. 478 с.
6. Денисов, Д. А. Компьютерные методы анализа видеоинформации / А. Д. Денисов ; Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1991. 192 с.
7. Маглинец, Ю. А. Модель предметной области автоматизированной системы анализа металлографических изображений / Ю. А. Маглинец // Проблемы информатизации города : материалы конф. ; Краснояр. гос. техн. ун-т. Красноярск, 1994. С. 155-159.
8. Цибульский, Г. М. Распределенная среда решения задач анализа и интерпретации изображений / Г. М. Цибульский, Ю. А. Маглинец, Д. А. Перфильев // Проблемы информатизации региона : сб. науч. тр. ; Краснояр. гос. техн. ун-т. Красноярск, 2002, С. 4-43.
9. Перфильев, Д. А. Описание формы сегментов металлографических изображений алюминиевых сплавов / Д. А. Перфильев // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева : сб. науч. тр. / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2006. Вып. 8.
D. A. Perfilyev, G. M. Tcibulsky
SEGMENTS CONCENTRATION AREA OF METALLOGRAPHIC IMAGES OF DISTORTED ALUMINUM ALLOYS
It is suggested to analyze segment concentration as image area. The characteristic to evaluate the segment concentration of microstructure metallographic images of distorted aluminum alloys is described.
