Компьютерный анализ изображений поверхности сплава в электрохимических исследованиях

Н.В. Тарасова,

tarnv82@mail.ru,

С.Н. Салтыков,

saltsn@lipetsk.ru,

В.В. Ведищев,

it@stu.lipetsk.ru
Липецкий государственный технический университет, г. Липецк

Аннотация

Показана возможность использования спектра яркости поверхности стального образца, полученного путем анализа цифрового изображения, для изучения особенностей его металлографического строения. Предложена численная характеристика спектра яркости, характеризующая последовательность анодного растворения отдельных структурных составляющих железоуглеродистого сплава.

Abstract

The possibility for using of steel surface brightness spectrum obtained by analysis of digital image for researching of metallographic structure peculiarities is shown. The numerical characteristic of brightness spectrum which describes the chain of dissolution of alloy’s structure elements is offered.

Одной из важнейших задач современного материаловедения является изучение и анализ микро- и наностроения материала, основанное на предварительном химическом или электрохимическом травлении поверхности [1]. Такой способ визуализации является классическим, однако, отличается большой долей субъективности, связанной с неопределенной глубиной разрушения отдельных структурных элементов и неоднородностью развития процесса по поверхности. При изучении влияния микроструктуры материала на его различные физико-химические свойства необходимо четкое количественное описание микроструктуры, основанное на измеряемых физических величинах. Известно, что в кинетике растворения многофазных электродов введено понятие активных центров поверхности, в которых осуществляется зарождение анодного процесса [2]. Ранее [3, 4] было установлено, что их формирование и последовательность электрохимического растворения составляющих микроструктуры железоуглеродистого сплава определяется ее количественными характеристиками. Серьезный научный интерес представляет глубокое и детальное изучение анодного растворения межфазных и межзеренных границ, тела зерна, цементитных пластин или глобул. Его осуществляют путем сопоставления вольтамперограмм сталей с наблюдаемым изменением состояния их поверхности, на которой в течение поляризации становится различимым тот или иной элемент микроструктуры [3, 4]. В работах [5-7] указано на возможность использования компьютерных средств и программ для анализа коррозионных разрушений металла. Целью нашей работы стал анализ цифровых изображений поверхности электрода после электрохимического растворения и традиционного азотнокислого химического травления, а также поиск численных характеристик, позволяющих однозначно характеризовать состояние поверхности и его изменение в ходе растворения только лишь на основе цифровых изображений поверхности, полученных оптической микроскопией.

Объект и методика исследований

В качестве объектов выбраны армко-железо (ферритная структура) и стали 45 (феррито-перлитная структура) и У8 (перлитная структура). Электрохимическое растворение осуществляли в сернокислом растворе (рН 1.8) по методике, описанной в [3], значения поляризующего тока изменяли в пределах от 0.05 до 0.50 мА. Компьютерную обработку изображения проводили с использованием графического редактора Adobe Photoshop 7.0 и математического процессора Microsoft Excel из пакета Microsoft Office. Изображение поверхности представляет набор пикселов, характеристикой каждого из которых является некоторое условное значение «яркости», определяемое программно и измеряемое в условных координатах от «0» (отсутствие света) до «255» (максимум значения). В окончательном виде изображение поверхности представлено в виде зависимости в координатах «яркость – относительное количество пикселов (n, %)», которую в дальнейшем будем называть спектром яркости (рис. 1). Величину n находили для каждого значения яркости как отношение количества пикселов, имеющих данную яркость, к суммарному количеству пикселов анализируемой поверхности электрода, которая составила не менее 1000 мкм². Для анализа использовали 10 участков рабочей поверхности электрода после поляризации.

Результаты и обсуждение

Рассмотрим спектры яркости микроструктур сталей, полученных после классического азотнокислого травления. Переход от армко-железа, имеющего ферритную структуру, к стали У8 со структурой перлита сопровождается изменением тонального диапазона изображения поверхностей, спектры яркости которых представлены на рис. 1. Структура армко-железа и стали У8, имеющих одну составляющую (феррит или перлит), характеризуется спектром с одним максимумом (рис. 1, кривые 1 и 3), расположение которого, очевидно, определяется яркостью феррита или перлита, соответственно, тогда как для стали 45 с феррито-перлитной структурой характерно наличие двух локальных максимумов (далее максимумов) (рис. 1, кривая 2), также отвечающих ферриту (максимум I) и перлиту (максимум II).

Дальнейшее изучение связи спектров яркости с характером распределения очагов растворения осуществляли на Ст45. Рассмотрим и сравним изменения состояния поверхности стали, наблюдаемые, с одной стороны, при увеличении продолжительности химического азотнокислого травления (рис. 2), а с другой – при возрастании тока в условиях гальваностатической поляризации (рис. 3). Из рис. 2а видно, что с ростом продолжительности химического травления перлит выявляется более четко, а через 10 с становятся видимыми межзеренные границы. Аналогичная картина отмечена и для гальваностатического травления (рис. 3а): при минимальном значении тока мы наблюдаем только зерна перлита, четкость которого увеличивается с ростом поляризующего тока (рис. 3а, фото 1, 2). Начиная со значения тока 0.30 мА, развитие анодного процесса приводит к растворению границ феррит/феррит (рис. 3а, фото 3), а затем и тела зерна феррита (рис. 3а, фото 4), что отвечает установленной ранее последовательности [4]. Характер спектров яркости, построенных для обоих случаев (рис. 2б и 3б), также обнаруживает общие закономерности. Так, при минимальной продолжительности химического травления спектр содержит только один максимум (рис. 2б, кривая 1), с увеличением продолжительности травления появляется второй максимум (рис. 2б, кривые 2, 3), а затем остается только один (рис. 2б, кривая 4), лежащий в диапазоне яркости, характерной для перлита. Гальваностатическое растворение зерен перлита (рис. 3а, фото 1) и феррита (рис. 3а, фото 4) характеризуется спектрами яркости с одним максимумом, положение которого в процессе растворения смещается из области феррита в область перлита (рис. 3б). Наложение спектра, отвечающего азотнокислому травлению Ст45, на рис. 3б (кривая 5) позволяет установить идентичность формы спектров микроструктуры, выявленной обоими путями (рис. 2а, фото 3 и рис. 3а, фото 3): высота максимума II больше максимума I, тогда как растворение перлита (рис. 2а, фото 1, 2 и рис. 3а, фото 1) характеризуется спектрами, с более высоким максимумом I (рис. 2б, 3б).

рис. 1. а – спектры яркости поверхности армко-железа (1), сталей 45 (2) и У8 (3); б – схематическое изображение спектра яркости феррито-перлитной микроструктуры (максимум I соответствует ферриту, II – перлиту).

рис. 2. а – поверхность Ст45 после травления в 1% HNO₃ в течение 3 (1), 10 (2), 30 (3) и 60 (4), ×650; б – спектры яркости изображений Ст45 после азотнокислого травления (номера кривых соответствуют обозначению продолжительности травления).

рис. 3. а – поверхность Ст45 после гальваностатического растворения в сернокислом растворе (рН 1.8) в течение 5 мин под током: 0.05 (1), 0.15 (2), 0.30 (3) и 0.40 (4), ×650; б – спектры яркости изображений Ст45 после гальваностатического растворения (кривые 1÷6 соответствуют анодному току, кривая 5 – химическому травлению).

Таким образом, полученные результаты доказывают связь характера спектра яркости поверхности стали с последовательностью растворения границ и тела зерна. Однако, для решения обратной задачи [8], а именно – по характеру спектра яркости поверхности после анодной поляризации делать заключение о локализации анодного процесса на границах или теле зерна – необходимо найти количественные характеристики полученных спектров. В качестве количественной характеристикой спектра (t), учитывающей изменение высот максимумов и их взаимное расположение, может служить отношение разности высот максимумов к расстоянию между ними, величина которого составляет: t > -0.0035 (для растворения перлита), t ≈ -0.0035 (для растворения границ феррит/феррит) и t < -0.0035 (для растворения тела зерна феррита). При этом переход к растворению межзеренных границ и тела зерна феррита происходит в интервале токов поляризации 0.30 и 0.40 мА, что коррелирует с результатами, полученными ранее [4]. Наиболее значимым представляется то, что найденные интервалы значений t не зависят от природы травления: гальваностатической или химической, что позволяет на основе спектра яркости поверхности с хорошим приближением определить начало и завершение растворения тела зерна феррита, межфазных границ феррит/цементит и межзеренных границ феррит/феррит.

Выводы

1. Показана возможность применения компьютерного анализа изображений поверхности сплава для изучения не только его микроструктуры, но и процесса формирования центров анодного растворения путем построения спектров яркости.

2. Установлена связь между тональным диапазоном изображения и растворением отдельных структурных составляющих железоуглеродистого сплава, предложена численная характеристика спектра яркости, что позволяет использовать компьютерный анализ изображений поверхности сплава в качестве альтернативного оптической микроскопии метода.

Литература

1. Ведищев В.В., Князев С.В. // Сборник трудов Международной научной конференции «Сложные системы управления и менеджмента качества CCSQM´2007» – Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2007. – С. 28 [8].

2. Избранные методы исследования в металловедении / Под. ред. Хунгера Г.-Й. Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1985. – 416 с [1].

3. Котенев В.А. // Защита металлов. 2001. Т. 37. №3. С. 284 [5].

4. Котенев В.А., Петрунин М.А., Максаева Л.Б. и др. // Защита металлов. 2005. Т. 41. №6. С. 547 [6].

5. Котенев В.А. // Защита металлов. 2007. Т. 43. №5. С. 534 [7].

6. Пласкеев А.В., Каспарова О.В., Колотыркин Я.М. // Защита металлов. 1984. Т. 20. №1. С. 62 [2].

7. Тарасова Н.В., Салтыков С.Н. // Защита металлов. 2007. Т. 43. №3. С. 252 [3].

8. Тарасова Н.В., Салтыков С.Н. // Коррозия: материалы, защита. 2007. №4. С. 6 [4].