Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0129

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0129
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Измерение структур и изломов твёрдых сплавов для прогноза риска разрушения наплавок рабочих органов сельскохозяйственных машин
Докладчик
Кудря Александр Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: оценка влияния неоднородности структур твёрдых сплавов на их сопротивляемость разрушению.
Задачи: разработка компьютеризированных процедур измерения структур и изломов; накопление статистики наблюдений неоднородности структур и разрушения твёрдых сплавов; установление закономерностей разрушения различных типов структур;
выявление критических параметров структур, лимитирующих сопротивляемость твердых сплавов разрушению; выработка требований к структурам твердых сплавов, обеспечивающих высокий комплекс свойств, и технологии их получения (возможность импортозамещения).
Актуальность и новизна исследования
Проблема повышения эксплуатационных характеристик рабочих органов и других деталей сельскохозяйственных машин является острой и актуальной. Использование в рабочих органах и других нагруженных деталях сельскохозяйственных машин твердосплавных износостойких покрытий устаревших, недостаточно эффективных твердых сплавов снижает конкурентоспособность продукции отечественного сельскохозяйственного машиностроения.
Традиционные способы повышения качества материалов, варьированием составом или технологией, без анализа структурных причин провалов свойств не дают желаемого результата, поскольку не учитывают существующее многообразие структур твёрдых сплавов (даже в рамках одного состава и технологии получения наплавки). Более эффективный подход - управление структурой сплавов, фактически необходимо конструирование оптимальной конфигурации структур и структурных составляющих (на различных масштабных уровнях наблюдения: от нано- до макроуровня) на основе понимания природы разрушения разнородных структур, механизмов их износостойкости. Однако существующие, преимущественно качественные оценки структур материалов, в т.ч. твердых сплавов, затрудняют разработку объективных требований к структуре, гарантирующих достижение заданного комплекса свойств. Для этого необходимо развитие быстродействующих компьютеризированных процедур измерения структур и разрушения, накопление необходимой статистики наблюдений, получение знаний о закономерностях разрушения и износостойкости разнородных структур.
Описание исследования

Современные вычислительные мощности позволяют решать обе задачи микроскопии: либо измерять и накапливать статистику деталей структуры, либо прямо получать её собирательный образ – однозначно опознаваемый и измеримый.

В любом случае их решению предшествует получение адекватных изображений в цифровой форме. Здесь необходимо было учесть возможные ограничения, в частности, разрешение, например, в световом микроскопе, где объект отличается от точки, если его размер более половины длины волны видимого света (0,4 – 0,8 мкм).  Из рассмотрения были исключены программы цифрового увеличения, делающие изображения более удобными для просмотра, но не добавляющие при этом необходимой чёткости.

При исходной неравномерности освещения по полю зрения (низкочастотная составляющая изображения) бинаризацию предваряли вычитанием линейного или нелинейного (в виде двумерного полинома, ряда Фурье из k – низкочастотных гармоник) фона, а точечные шумы устраняли либо сглаживанием на скользящем квадрате из n2пиксел, либо фильтрацией. Искомый элемент не исказится, если он более nΔ и менее NΔ/(4k) (обычно n=3…4 и k=3…4)

При измерении изображений в материаловедении получаемые результаты будут сопоставимы лишь при едином алгоритме и параметрах настройки для опознавания границы "элемент структуры-матрица". В этой связи были сопоставлены возможности различных алгоритмов автоматической идентификации границ отдельных составляющих структуры.  Подход к их назначению основывался на учёте особенностей геометрии структуры. В частности,  в ряде случаев оптимальным оказался анализ С-образной зависимости площади элементов структуры F от их периметра Р в логарифмических координатах, полученной последовательным варьированием порога бинаризации. "Нос" кривой – максимум F(P) соответствовал максимальному совпадению контурной карты изображения с исходным.

Для уточнения природы объектов (элементов структуры) использовали возможности сканирующей электронной микроскопии (микрозондовый анализ) результаты анализа морфологии фрагментов поверхности шлифа (в наномасштабах наблюдения) - по измерениям рельефа средствами атомно-силовой микроскопии.

Исследование строения поверхности разрушения (изломов) наплавок из различных твёрдых сплавов проводили с использованием сканирующей электронной микроскопии. Методами послойной съемки ответных половинок изломов и  сопоставления 3D-изображений в едином масштабе координат реконструировали сценарий развития трещины для прогноза сопротивляемости разрушению наплавок из различных твёрдых сплавов.

Для оценки степени "кучности" объектов точечной природы (кластеров частиц) использовали построение полиэдров Вороного.

С целью обеспечения объективности при сопоставлении результатов измерения изображений структур и изломов была оценена статистика распределения элементов структур.

Результаты исследования

Предсказание свойств  неоднородной структуры из описания ее элементарных, как правило, микроскопических составляющих и их конфигурации в целом,   в прямом сопоставлении со строением изломов - ключевая задача материаловедения необходимая для повышения комплекса свойств действующих и новых сталей, сплавов, композитов, материалов с наноструктурой, твердых сплавов. До недавнего времени обратные задачи количественной металлографии и фрактографии почти не ставились. Основная причина заключалась в высокой трудоемкости измерений, отсутствии готовых алгоритмов и программ для автоматизированного выделения искомых элементов структуры,  громоздкость обработки результатов. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют систематические данные о закономерностях организации иерархической лестницы структур, совместного влияния разнородных структур, их эволюции в ходе технологической цепочки.  Отсюда отсутствие необходимой глубины понимания природы разрушения разнообразных структур исходя из статистики их геометрии, трудности в выработке критериев их неоднородности, гарантирующих заданный уровень свойств, в т.ч. твердых сплавов, используемых при производстве рабочих органов сельскохозяйственных машин.

В работе предложены компьютеризированные процедуры регистрации и количественной обработки изображений структур и изломов твёрдых сплавов: измерение геометрии рисунка, неоднородности размещения однородных частиц (актов разрушения) – на основе построения полиэдров Вороного и использования алгоритмов дилатации.

Апробированы методы цифровой реконструкции сценария распространения трещины – по величине невязки, оцениваемой на основе сопоставления  3D-изображений рельефа ответных половинок изломов в единой системе координат.

С использованием разработанных компьютеризированных процедур измерения геометрии структур накоплена представительная статистика данных, описывающая конфигурацию разнородных типичных структур (для шести существующих типов твёрдых сплавов). Обоснование процедур бинаризации и минимально допустимой площади поля наблюдения, выравнивание интенсивности яркости в пределах кадра (и панорам, полученной их "сшивкой") позволили получить воспроизводимые оценки геометрии разнородных структур в масштабе образца (наплавки) на основе статистики полиэдров Вороного, использования итерационных алгоритмов трансформации изображений.

Оценены условия проведения процедур измерения разнообразных структур и изломов, обеспечивающие получение воспроизводимых и сопоставимых результатов. Установлены границы эффективного и надежного применения процедур традиционной и непараметрической статистики для оценки полученных результатов. Сформулированы требования к минимальному и максимальному объёмам массивов данных измерения, обеспечивающему представительность оценок, при описании морфологии строения структур, рельефа изломов.

На основе прямого сопоставления геометрии строения структур и изломов исследованных твёрдых сплавов обнаружено прямое влияние неоднородности структур на сопротивляемость разрушению твёрдых сплавов, установлена  существенная роль кооперативного влияния разномасштабных структур на эволюцию разрушения и уровень его энергоёмкости. Это  позволило сформулировать объективные требования к допустимой неоднородности структур, обеспечивающей высокий уровень сопротивляемости твёрдых сплавов разрушению.

Практическая значимость исследования
Использование разработанных компьютеризированных процедур (как фрагмента IT) измерения структур и изломов наплавок из твёрдых сплавов позволило накопить представительную, документированную статистику результатов измерения неоднородности их строения. Это обеспечило возможность получения объективных представлений о механизмах разрушения различных типов структур существующих твёрдых сплавов. Это, в свою очередь, дало основания для формулировки критериев, определяющих оптимальность структур твёрдых сплавов, меры её допустимой неоднородности. Полученные новые знания были использованы при подготовке заявки на патент и разработке новых твёрдых сплавов.
Накопленный опыт работы с изображениями структур и изломов твёрдых сплавов подтверждает перспективность распространения предложенных подходов (количественных методов измерения изображений) в материаловедческой практике. Это в конечном итоге позволит стандартизировать требования к ним и внести в измерения структур и изломов количественную меру, что необходимо для создания принципиально новой линейки стандартов их оценки. Её создание, наряду с широким использованием возможностей IT принципиально важно для реализации принципа управления качеством разнообразных материалов по структуре, конструирования структур материала под заданные свойства. В целом, это обеспечит конкурентоспособность отечественных материалов широкого назначения.
Постер

14.578.21.0129.ppt