1. Charakteristika a možnosti obrazové analýzy pro dané aplikace

PARAMETRY JAKOSTI SVAROVÝCH SPOJŮ HODNOCENÉ METODAMI OBRAZOVÉ ANALÝZY QUALITY PARAMETERS OF THE WELDING JOINTS VALUED WITH THE METHODS OF IMAGE ANALYSIS doc. Ing. Ivo Hlavatý, Ph.D., VŠB Technická univerzita Ostrava doc. Ing. Eva Schmidová, Ph.D., Univerzita Pardubice Ing. Jiří Hajdík, VŠB Technická univerzita Ostrava 1. Charakteristika a možnosti obrazové analýzy pro dané aplikace V oblasti strukturní analýzy i při běžném hodnocení materiálů má nezastupitelné místo metalografie. V současnosti se v návaznosti na rychlý vývoj softwarových i hardwarových prostředků v oblasti informačních technologií i laboratorní přístrojové techniky intenzivně rozvíjejí metody obrazové analýzy. V oblasti svařování použití metod obrazové analýzy na jedné straně umožňuje usnadnit a automatizovat metalografické hodnocení, na straně druhé dovoluje podstatně rozšířit počet a druh hodnocených parametrů a kvantifikovat výsledky analýzy. Obrazová analýza se zabývá získáváním kvantitativních informací o různých geometrických parametrech mikro- i makrostruktury materiálů (např. údajů o počtu, ploše resp. velikostních parametrech částic, o jejich celkovém plošném podílu v matrici aj.). Těchto informací lze použít jednak přímo pro hodnocení struktury materiálu, jednak jako podkladu pro stereologickou analýzu. Kvantitativní hodnocení charakteristických parametrů zkoumané struktury případně vypracování stereologického modelu a matematicko-statistická analýza dosažených výsledků je důležitou součástí posuzování vztahů mezi strukturou a vlastnostmi či mezi mírou změn struktury a vnějšími faktory. Použití výpočetní techniky a vhodného softwaru usnadňuje práci s digitálním obrazem - je možné provádět řadu operací, umožňujících např. potlačit zobrazení artefaktů po leptání, zvýraznit hranice zrn, zvýšit kontrast mezi vybranými strukturními součástmi apod. Kvalitní, přesné a správné výsledky lze při zpracování optických informací v metalografii získat pouze za předpokladu - věrného zobrazení v mikroskopu, - dostatečné výraznosti obrazu, - identifikovatelnosti objektů. Metalografické pracoviště DFJP zpracovává pouze digitální snímky, získané z metalografického mikroskopu Neophot 21 s propojením na digitální fotoaparát Olympus C 2000Z. Pracuje se zde se čtvercovým rastrem. Jako matematický model obrazu se používá spojitá obrazová funkce dvou plošných souřadnic F(i,j). Hodnotou obrazové funkce je jas, který je veličinou měřenou čidly používanými pro vstup obrazu (nahrazuje tak ostatnífotometrické veličiny). Obrazová funkce je reprezentována pravoúhlou celočíselnou maticí; prvkem matice je je hodnota jasu obrazového elementu (picture element - pixel). K softwarovému zpracování obrazu je na DiP DFJP k dispozici systém LUCIA G v. 4.82 (Laboratory Imaging, spol. s r. o. Praha). Pracuje se třemi základnímu typy obrazů, a to - s binárními obrazy (mají dvě možné hodnoty, 0 pro pozadí a maximální hodnotu 255 pro objekty a struktury; představují produkty segmentačních funkcí, používají se pro měření tvaru a velikosti), 1

- s barevnými obrazy (skládají se ze tří složek, které představují intenzitu červené, zelené a modré složky; hodnoty pixelů pro každou složku jsou v intervalu od 0 do 255, zpracování všech barevných obrazů přestavuje zpracování intenzity složky, kdy odstín a sytost zůstávají stejné), - se šedými obrazy (odvozené obrazy, v nichž se hodnoty pixelů mění od 0 do 255, jsou však stejné pro všechny tři složky v každém obrazovém bodu; systém LUCIA je vytváří několika transformacemi). Zpracování binárních obrazů je úzce spjato s matematickou morfologií, nejčastěji s operacemi - eroze (objekty se po provedení eroze zmenší, neboť ubere z jejich okrajů; je-li objekt nebo úzký výběžek menší, než ubíraná šířka, zmizí z obrazu), - dilatace (po dilataci jsou objekty zvětšeny, tj. k objektu je přidána slupka ; je-li vzdálenost mezi dvěma objekty menší, než dvojnásobná tloušťka slupky, objekty se spojí, je-li díra v objektu menší, než dvojnásobná tloušťka slupky, zmizí z obrazu), - otevření (je to eroze následovaná dilatací, takže velikost objektů se nijak významně nemění; otevření vyhlazuje kontury, maže malé objekty a rozpojuje částice spojené tenkou šíjí), - zavření (je to dilatace následovaná erozí, takže velikost objektů není podstatně změněna - vyhladí obrysy, zaplní malé díry a zaplní malé zálivy, může spojit blízké objekty), - vyčistění (nejprve eroduje obraz, takže malé objekty mizí, pak jsou zbývající objekty rekonstruovány do jejich původní velikosti a tvaru; výhoda tohoto postupu spočívá v tom, že malé objekty zmizí, ale zbytek obrazu zůstane nedotčen), - vyplnění děr (plní díry uvnitř obrazu; tato operace je užitečná například při detekci hranic objektů, neboť objekty mají bohatou vnitřní strukturu s intenzitami typickými pro pozadí a hranice - po této operaci jsou díry transformovány na uzavřené oblasti). V oblasti kvantitativní metalografie umožňuje použití obrazové analýzy provést kvantitativní odhad parametrů zkoumaných struktur rychle a přesně, bez subjektivního ovlivnění osobou provádějící hodnocení. Zároveň dává možnost získat informace nejen o základních parametrech struktury, ale i takové údaje, které by při klasickém způsobu hodnocení bylo možné získat jen velmi obtížně, nebo by byly zcela nedostupné. 2. Výběr z možných aplikací obrazové analýzy při hodnocení jakosti svarových spojů 2.1 Obsah delta-feritu v austenitickém návarovém kovu Výslední jakost spoje závisí u daného typu ocelí do značné míry na primární krystalizaci. Její charakter, a následně podíl feritické fáze v austenitu ovlivňují kromě jiného riziko vzniku trhlin za horka ve svarovém kovu. V případě, že vlivem převažujícího obsahu austenititvorných prvků proběhne primární krystalizace výlučně na austenit, tj. fázová transformace v průběhu ochlazování se neuskuteční, roste pravděpodobnost vzniku trhlin za horka ve svarovém kovu. Vzhledem na reálně vysokou heterogenitu návarových kovů daného typu je pro výslední jakost svarového spoje významné korektní zjištění celkového podílu delta-feritu ve struktuře, případně lokálních odchylek v jednotlivých návarových vrstvách apod. 2

Souvislost mezi charakterem primární krystalizace a strukturou po vychladnutí je možno orientačně stanovit na základě poměru ekvivalentů Cr E /Ni E podle Suutalovy teorie (Suutala 1984), který vyjadřuje vliv jednotlivých prvků na primární krystalizaci, a tím i na tvorbu trhlin za horka. Kupř. přídavný materiál OK Tubrodur 14.71 představuje slitinu typu 18Cr/8Ni/6Mn, kterou poměr Cr E /Ni E = 1,53 řadí mezi austenitické oceli, krystalizující na austenit přes přechodnou delta-feritickou fázi. Rovněž z obr. 1 vyplývá předpoklad, že svarový kov má po rovnovážném ztuhnutí strukturu čistě feritickou, po vychladnutí na teplotu místnosti strukturu čistě austenitickou. Ve svaru vlivem dendritické mikrosegregace budou osy primárních krystalů delta-feritu obohacené o chrom, ve zbývající tavenině (obohacené niklem) se budou tvořit krystalky austenitu. Transformace feritu na austenit během chladnutí sice proběhne, ale ne úplně; v osách dendritů zůstane skelet feritických krystalů. Na snímku č.2 je prezentován reálný podíl delta-feritu ve svarovém kovu daného typu a výsledky hodnocení obrazovou analýzou. Analýzy umožňuje korektní stanovení celkového rozsahu, popř. plošného podílu ve vybraných oblastech včetně statistického zpracování. Export dat rozšiřuje další možnosti zpracování výsledků měření, jejich průběžnou evidenci, srovnávání apod. V závislosti na svařovacích parametrech, geometrii svarového spoje a řady dalších parametrů tak přináší široké možnosti pro sledování vlivu na výslední strukturní heterogenitu svarového kovu. Obr. 1 Kvazibinární diagram soustavy Cr-Ni-Fe Obr. 2 Stanovení plošného podílu delta feritu v návarovém kovu 3

2.2 Podíl karbidické fáze Kvantitativní hodnocení distribuce karbidické fáze nachází při hodnocení vlivu svarového cyklu na jakost spoje velice variabilní uplatnění. Na obr. 3, 4 je prezentovaná analýza změn hustoty vyloučení karbidů v reakci na tepelnou dotaci stykového odporového svařování. Jedná se konkrétně o heterogenní svarový spoj bainitické oceli se zvýšenou provozní odolností pro lité komponenty železničních výhybek a standardní perlitické náběžné kolejnice [1]. Podíl a charakter karbidické fáze má v dané aplikaci stěžejní význam z hlediska provozní odolnosti tj. odporu proti tvorbě kontaktně-únavového porušení a abrazivnímu opotřebení. Proto byly analýzy zaměřeny na prezenci karbidů a hodnocení vlivu na charakter případných vad svarových spojů, nebo následných provozních poškození. Distribuce karbidů v tepelně nezatíženém objemu oceli je dokumentovaná na obr. 4. Charakteristická je tendence tvorby karbidů uvnitř feritických útvarů (částečně feritické laťky, částečně masivní ferit), místy tvoří nesouvislou karbidickou obálku původních austenitických zrn. Dle provedených měření se jedná o velice drobné precipitáty do cca 0,5mm, kterých EDS-mikroanalýzy zastoupení legujících prvků nevedou ke korektním výsledkům. Dále byly studovány vlivy teplotního cyklu dané technologie svařování; reálně připadá v úvahu rovněž dodatečný ohřev svarového rozhraní (kupř. při rovnání svařených úseků). Jednotlivé efekty byly pro potřeby laboratorního hodnocení částečně vyvolány experimentálně, kdy parametry žíhání simulovaly režim za provozních podmínek (doby ohřevu byly stanoveny výpočtem na základě termodynamických a difúzních dat pro potřeby metalografického vyhodnocení) [2, 3]. Žíháním bylo vyvoláno výrazné oduhličení v pásmu cca 150 mm, kontrastní oblasti na rozhraní s bainitickou litou ocelí byly identifikovány jako lokality s různou hustotou vyloučené karbidické fáze. Bližšímu studiu byly podrobeny části svarových rozhraní, kde byl před dodatečnou teplotní expozicí pozorován výskyt odlišné fáze. Podle výsledků provedených pozorování (světelná a elektronová mikroskopie), doplněných o kvantitativní obrazovou analýzu rezultuje dodatečný ohřev oblastí do nerovnoměrných shluků karbidických útvarů. Vznikají tak mikrolokality s výraznými rozdíly mechanických vlastností, které v závislosti na rozsahu ovlivňují únosnost spoje. Obr. 3 Kumulace karbidů v tepelně ovlivněné oblasti svarového spoje 4

Prezentovaný software zde představuje nástroj pro sledování zvolených vhodných parametrů sekundární fáze. Po převedení do binárního obrazu lze vyhodnotit délky, plošný podíl, nebo charakteristické tvarové faktory ve vybraném úseku metalografického snímku. V kombinaci s rozsáhlými možnostmi předzpracování obrazu získáváme data, která po statistickém zpracování umožní predikci odolnosti v provozním zatížení takto ovlivněných úseků. Obr. 4 Rozměry karbidů v závislosti na distribuci ve feritu 2.3 Rozsah mikrosegregace legujících prvků Dále jsou uvedeny vybrané výsledky hodnocení znečištění nekovovými vměstky v situaci, kdy celková míra znečistění (hodnotitelná kupř. dle kategorizace normy ČSN 42 041) neodpovídá zjištěnému vlivu na jakost oceli. Lokální rozdíly v zastoupení i distribuci vměstků, charakteristické pro daný materiál (opět litá bainitická ocel) je dle metalografických i plošných EDS-analýz jednoznačně spjatá s rozsahem a charakterem mikrosegregace legujících prvků. V extrémních případech je uvedený proces doprovázen tvorbou sulfidů II. typu, které podstatně degradují zejména houževnatost oceli. Způsob vyloučení a morfologie sulfidů odpovídá etapě jejich vzniku - byla pozorována charakteristická distribuce po hranicích primárních austenitických zrn-viz obr.5. V dané aplikaci je rozsah mikrosegregace pod vlivem jednak apriorních metalurgických procesů, jednak dochází k podstatným změnám v tepelně ovlivněné oblasti odporových svarových spojů. Zde nachází uplatnění vyhodnocení rozsahu mikrosegregace, založené na měření plošného podílu oblastí s nižší leptatelností vlivem chemické heterogenity z etapy primární krystalizace oceli. Odlišnou strukturní variantu v obdobné aplikaci obrazové analýzy představuje dendritická mikrosegregace v návarových vrstvách austenitického přídavného materiálu. Změna niklového ekvivalentu vede v mikrolokalitách k fázové transformaci a je tak zdrojem výrazných strukturních heterogenit; byla zjištěna přednostní tendence formování bainitu ve směru dendritické krystalizace. Ostrý metalografický kontrast tvoří rovněž rozhraní mezi navařovanými vrstvami - obr.6. Toto pásmo odpovídá oblasti opětovně natavené při navařování následující vrstvy. Podle 5

výsledků hodnocení EDS-chemických mikroanalýz jsou mikroobjemy odlišné fázové transformace v dané oblasti převážně na martenzit - ochuzeny o legující prvky ve srovnání s okolní austenitickou matricí. Kvantitativní stanovení podílu jednotlivých strukturních heterogenit má tedy značnou vypovídající schopnost při sledování závislosti aplikovaných parametrů svařování a jakosti návarových vrstev. Area Fraction 0.263174 % Obr. 5 Sulfidy II.typu v návaznosti na primární mikrosegregaci Area Fraction 0.02795 % 0.488785 % Obr.6 Rozdíly mikrosegregace na rozhraní návarových vrstev 2.4 Rozsah oduhličení na svarovém rozhraní 6

Jako kriterium oduhličení vlivem teplotního cyklu svařování lze pro obrazovou analýzu využít změny podílu strukturně volného feritu po délce hranice ztavení, nebo šířce tepelně ovlivněné oblasti. Na obr.7, 8 jsou prezentovány výsledky hodnocení, kdy s použitím měřícího rámečku lze přesně vymezit analyzovanou oblast (v daném případu vzdálenost od hranice ztavení v μm) a tak posoudit intenzitu oduhličení ve zvoleném směru, popř. přiřadit hodnotám tvrdosti odpovídajících pásem. Návar A 234 310 290 270 250 230 210 190 170 150 hodnoty tvrdosti HV 0,5 Základní materiál UIC 900A -3,5-2,5-1,5-0,5 0,5 1,5 2,5 3,5 vzdálenost od hranice ztavení (m m) Obr. 7 Tvrdost HV 0,5 pásem, vymezených obrazovou analýzou 0.251 % 0.685 % Obr. 8 Plošný podíl strukturně volného feritu 3 Shrnutí Vybrané analýzy prezentují pouze některé možnosti obrazové analýzy v oblasti hodnocení jakosti svarových spojů. Z prvních zkušeností vyplývá řada dalších uplatnění. U makro i mikrofraktografie se nabízí automatické vyhodnocení podílů různých lomových mechanizmů podle předdefinovaného rozlišení snímků z REM dle typických morfologických znaků. Dále lze uvést kvantitativní analýzu vnitřních nespojitostí, kdy vady spoje je možno vyhodnotit v přímém vztahu k rozsahu natavené oblasti kupř. u bodových spojů apod. Stanovení lokálních změn velikosti zrna v tepelně ovlivněné oblasti a hodnocení mikročistoty jsou řešeny formou samostatných modulů. 7

Obrazová analýza rozšiřuje možnosti kvantitativního hodnocení jakosti svarových spojů především v situacích, kdy je problematická objektivita hodnocení zejména u metod srovnávacích, a to při nesrovnatelně vyšší efektivitě většího rozsahu pro hodnocení. hodnocení. Metody obrazové analýzy jsou zde zdrojem informací, které je možno vhodně doplňovat kupř. údaji o lokálních změnách mikrotvrdosti a chemického složení; umožňují komplexní obraz o působících mechanizmech v stěžejních vrstvách svarových spojů. LITERATURA : [1] SCHMIDOVÁ, E.: Provozní vlastnosti nově vyvinuté bainitické oceli pro lité součásti kolejového svršku, Habilitační práce; Pardubice 2004 [2] HLAVATÝ, I.-FOLDYNA,V.-KŰBEL, Z.: Aplikace návarů provedených na různých typech kolejnic. In: Svařování v železniční dopravě 01, ISBN 80-7194-322-3, 2001. [3] HLAVATÝ, I. Zvyšování užitných vlastností vysokouhlíkových materiálů navařováním (Increasing utility Properties oh High Carbon Materials by Resurfacing). Habilitační práce, VŠB - TU Ostrava, Ostrava 2003, 116 s. ISBN 80-248-0275-9 (teze). 8