Principi di analisi quantitativa di immagine Principi di analisi quantitativa di immagine Uno dei...

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    Principi di analisi quantitativa di immagineUno dei principali obbiettivi dellanalisi quantitativa di immagine applicata alla metallurgia di riuscire a legare la microstruttura della lega in esame con le sue propriet meccaniche. Ci possibile solo se si effettuano delle misure obbiettive, si trattano queste misure mediante computer e si effettua una analisi statistica su un gran numero di osservazioni. La metallografia quantitativa permette di analizzare in modo quantitativo differenti strutture presenti nella lega in esame: inclusioni, dimensioni dei grani, morfologie di corrosione, morfologie di frattura, forma degli agglomerati etc. In particolare per quanto riguarda la frattografia quantitativa, si potr procedere in due modi differenti: analisi della superficie di frattura oppure analisi del profilo della frattura stessa.Alla base di queste procedure vi la stereologia, ovvero la scienza che consente la formulazione di relazioni funzionali e la deduzione quantitativa delle caratteristiche di un sistema eterogeneo a partire dallanalisi effettuata su poche sezioni del sistema stesso. Essa pu essere considerata:

    Attraverso la stereologia possibile determinare ad esempio: la grandezza media dei grani per ciascuna fase la superficie di interfaccia comune a due grani la superficie specifica dei suoi grani

    Le principali grandezze stereologiche sono esposte nella tabella seguente

    una geometria, perch definisce sui sistemi materiali delle caratteristiche geometriche; una statistica, in perch acquisisce i dati attraverso tecnichedi campionamento.

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    Principali grandezze stereologiche

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    Lanalisi di tipo volumetrico priva di senso in stereologia, in quanto tale scienza deduce le propriet volumetriche da indaginieffettuate su sezioni piane.Il sezionamento operato nellanalisi stereologica, provoca la diminuzione di un ordine di grandezza dellente geometrico, per cui i volumi vengono analizzati come aree (A), le superfici come linee (L), le linee come punti (P) ed i punti, per cos dire, spariscono e non sono identificabili.Lanalisi stereologica pu essere: areale lineare puntualeQualsiasi grandezza stereologica pu essere ricondotta ai conteggi fondamentali (PA, PL, PP). A seconda che si imponga lanalisi di una area nota, di una linea nota o un numero totale di punti si possono effettuare diverse misure.

    Per effettuare una analisi stereologica si sovrappone ad una sezione piana del sistema da analizzare un sistema predisposto di aree, linee, punti che costituisce la cosiddetta griglia. I moderni sistemi di analisi di immagine computerizzati superano certamente questa metodologia, che, comunque, resta almeno concettualmente alla base. Dopo tale sovrapposizione si effettua il conteggio degli elementi ritenuti di interesse.

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    Tipi di griglie: a) puntuale; b) puntuale non ordinata; c) segmentariaparallela; d) segmentaria stellare; e) circolare; f) reticolare quadrata; g) composita; h) di Chalkey; i) altro tipo di griglie.

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    E possibile fornire un elenco succinto delle misure rilevabili sul piano di sezionamento mediante impiego di griglie. Conteggi:1. Conteggio dei punti (Pp).Rappresenta il metodo pi agevole per la valutazione della frazione volumica; si utilizza una griglia reticolare quadrata il cui numero di nodi in rapporto allarea osservata; generalmente 9 o 16 nodi.2. Conteggio delle intersezioni (PL) Pu essere applicato separatamente ad ogni tipo di contorno sulla sezione lucidata; nel caso di sinterizzati si possono scegliere contorni di grani o contorni di pori al fine di valutare la superficie specifica della interfaccia prescelta.3. Conteggio delle tangenti (TA) Si applica alle interfacce che presentino convessit e/o concavit, quale pu essere ad esempio la interfaccia poro/matrice in una struttura sinterizzata. Il conteggio si effettua spazzando con un segmento unarea tale da ottenere, in ogni osservazione, un certo numero di conteggi. Si contano le volte che il segmento esplorante diventa tangente ai contorni della fase prescelta che presenti una convessit o una concavit a cui si assegnano, per convenzione valori positivi e negativi. Il conteggio netto, dato dalla differenza tra i due valori, sar dotato di un segno che indice di prevalenza.4. Conteggio dei punti tripli (PA) Sono detti punti tripli le intersezioni sul piano di lucidatura di caratteristiche lineari; lattendibilit del numero ottenuto dal conteggio diminuisce con la difficolt di attuazione. 5. Conteggio di figure (NA) Alcuni sistemi presentano componenti dispersi nella matrice, tipici esempi sono costituiti da ghise nodulari, acciai a carburi speciali. Pu allora essere utile contare il numero di dispersoidiper unit di area come dato complementare della frazione di volume, per la valutazione del volume medio del dispersoide.

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    Misure di linee possono consistere nella misura delle intercette (LL ), cio nella misura della parte di segmenti di prova che cade in una certa fase; tale misura pu per essere comodamente sostituita da una analisi di punto. Misure di aree si possono identificare nella misura dellarea relativa occupata da una certa fase (AA), detta misura pu essere effettuata su di una immagine della sezione, planimetrando tutte le aree occupate dal componente prescelto. Come nel caso precedente questa misurapu essere sostituita da una analisi di punto. Le misure di volume non rientrano nel campo della stereologia.

    La superficie relativa al volume del componente viene ricavata applicando la relazione:

    ove (Pp) e (PL) sono rispettivamente i conteggi dei punti che cadono entro la particella di intersezione.

    2

    pPLP

    vS

    =

    Esempio

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    Operazioni necessarie effettuare una analisi di immagine quantitativa

    Le operazioni, tutte di uguale importanza, che devono essere effettuate per eseguire una analisi di immagine quantitativa di una sezione metallografica sono: Preparazione dei campioni; Acquisizione delle immagini; Trasformazione delle immagini; Misura delle grandezze stereologiche di interesse ed analisi statistica.

    Preparazione dei campioniLa preparazione dei campioni metallografici per una analisi quantitativa di immagine segue lidentica procedura gi vista per la preparazione di campioni metallografici di leghe ferrose e non secondo normativa UNI.

    Acquisizione delle immagini mediante digitalizzazioneSono attualmente disponibili in commercio a costo contenuto numerosi sistemi computerizzati di acquisizione di immagini da videocamera o da fotocamera con risoluzioni che vanno dal 640x480 arrivano a 2560x1920 e oltre (i progressi nel settore sono praticamente quotidiani). Si articola in due passi successivi: Il campionamento, che consiste nel misurare lintensit luminosa di ciascuno dei quadratini di una griglia sovrapposta allimmagine (pixel). La quantizzazione, che consiste nel convertire i campioni dellimmagine da una rappresentazione analogica continua ad una discreta attraverso i livelli di decisione dk= 2m. Se m=8 ne consegue che dk=256.Tale acquisizione permette di memorizzare limmagine su supporto informatico e di procedere alla successiva elaborazione.

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    Trasformazione delle immaginiTali trasformazioni sono giustificate dalla necessit di eliminare i difetti (ad esempio elementi estranei alla microstruttura ma presenti sulla superficie del campione) e di evidenziare le zone di interesse dellanalisi. Nei sistemi di elaborazione dimmagine commercialisono disponibili numerose funzioni di trasformazione (convoluzioni, morfologia matematica, analisi per trasformazione di Fourier, ). Questa fase estremamente delicata e richiede notevole esperienza da parte delloperatore. Il risultato ottenuto deve essere conforme allobbiettivo desiderato e deve essere ottenuto nel pi breve tempo possibile. Limmagine digitalizzata spazialmente secondo un reticolo di punti quadrato o esagonale, viene sottoposta ad una primissima fase dipulitura elettronica, in cui si eliminano gli elementi evidentemente estranei eventualmente presenti, si binarizza limmagine, ottenendo un risultato in cui gli oggetti di interesse sono bianchi 1 ed il fondo nero 0 (ma si pu avere anche il contrario).

    Affinch sia possibile modificare limmagine binarizzata nella morfologia matematica sono utilizzati gli elementi strutturanti. Le trasformazioni a disposizione dellanalista sono numerose e fanno parte della morfologia matematica: il loro utilizzo giustificato dalla necessit di eliminare i difetti (per esempio il rumore) e di precisare certe zone interessanti per lo studio dellimmagine.

    Immagine originale (colori)

    Immagine quantizzata(256 livelli di grigio)

    Immagine binarizzata(bianco e nero)

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    Si dispone di unampia gamma di trasformazioni che vanno combinate per segmentare limmagine e misurare le caratteristiche geometriche richieste. Lanalista dovr fare appello alla sua esperienza: conoscenza degli aspetti delle trasformazioni (trasformazioni di Fourier), scrittura di nuovi algoritmi, ricerca di similitudini con gli studi precedenti. I principali processi dimmagine ausiliari utili ad esempio per lindividuazione di particelle sono: lerosione dellarea e la dilatazionedegli elementi, unitamente a loro combinazioni conosciute con i termini di apertura e chiusura: Erosione: Rimuove i pixel dal bordo degli oggetti in una immagine

    binaria. Un pixel rimosso (commutato a nero) se quattro o pi dei suoi otto vicini sono neri. Lerosione separa gli oggetti e rimuove i pixel isolati. I valori di quattro ed otto possono essere anche diversamente definiti. Il numero di iterazioni pu essere definito (queste due condizioni sono valide per tutte le trasformazioni morfologiche). Dilatazione: Aggiunge pixel al bordo degli oggetti in una immagine

    binaria. Un pixel aggiunto (commutato a bianco) se quattro o pi dei suoi otto vicini sono bianchi. La dilatazione connette oggetti separati e riempie i fori. Apertura: Produce una operazione di erosione seguita da una di

    dilatazione. Arrotonda gli oggetti e rimuove i pixel isolati. Chiusura: Produce una operazione di dilatazione seguita da una di

    erosione. Arrotonda gli oggetti e riempie i fori.

    Erosione Dilatazione

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    Tra le altre operazioni che consentono di modificare limmagine si ricordano : Pulitura: chiamata anche apertura geodetica e fa in modo di erodere

    gli oggetti di piccole dimensioni senza alterare il resto dellimmagine. I rimanenti oggetti erosi sono quindi ricostruiti nella loro forma originaleRiempimento di vuoti: questa funzione riempie i vuoti interni

    allimmagine. Ci utile quando si deve individuare soltanto il contorno di un oggetto; in genere infatti dopo la sua applicazione i contorni sono trasformati in aree chiuse.

    Pulitura Riempimento di vuoti

    Nel caso in cui si utilizzi un reticolo di punti di tipo quadrato la matrice (o elemento strutturante) utilizzata potr avere diverse forme, e tutte le funzioni (erosione, dilatazione) saranno definite dalle matrici e dai numeri di iterazione.

    Varie forme degli elementi strutturanti per un processo di analisi dimmagine bidimensionale (reticolo di punti di tipo quadrato).

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    Misura delle grandezze stereologiche di interesse ed analisi statisticaSpesso in metallografia richiesta la conoscenza di varie grandezze come ad esempio: il numero di particelle o pori su unit di volume le dimensioni dei componenti presenti nel provino le dimensioni dei grani del materiale la frazione di volume delle fasi presenti nel provino, ecc.per la determinazione dei quali possono essere utilizzati vari metodi.Per indagini di serie il metodo pi veloce quello di confrontare la superficie del provino (o sue micrografie), con mappe di riferimento standardizzate pubblicate dalle norme.Tuttavia il metodo che generalmente viene utilizzato per la determinazione quantitativa delle suddette grandezze, un metodo statistico, attraverso il quale possibile trarre da poche rilevazioni i valori medi delle grandezze che si vogliono determinare.Tutte le misure possono essere effettuate sia sulla immagine virtuale nel microscopio, sia sulle micrografie del provino. I valori ottenuti possono essere quindi, distribuiti in classi e tabellati, oppure essere usati in una curva di distribuzione. Abitualmente i valori misurati in differenti classi, ed il numero dei valori individuati appartenenti a ciascuna classe sono tabellati, e, da essi si ottiene una curva di frequenza. Effettuando questi raggruppamenti, i valori misurati vengono distribuiti in classi dimensionali aventi un certo intervallo; esso pu essere costante, nel qual caso si ottiene una scala basata su classificazione aritmetica, o, seguire una serie geometrica, in cui ciascun intervallo ottenuto, moltiplicando il precedente, per un fattore costante. Praticamente, quando si raggruppano grani o particelle in classi (di area, di diametro, ecc) conviene moltiplicare per fattore (per esempio 2), cosicch ogni classe multipla dellaltra.

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    Con i valori misurati, classificati in questo modo, possibile tracciare un istogramma od un poligono di frequenza. Un istogramma presenta le seguenti caratteristiche: esso costituito da una serie di rettangoli le cui basi sono riportate sulle ascisse e definiscono una precisa classe di appartenenza. larea del rettangolo la frequenza osservata. i centri sono punti distintivi della classe, congiungendo i quali si ottiene il poligono di frequenza. larea sottesa al poligono la frequenza complessiva. La forma del diagramma fortemente influenzata dalla classificazione scelta. Gli intervalli delle classi debbono essere sufficientemente stretti in modo che nessun dettaglio della curva scompaia, come ad esempio un doppio massimo. Quanto pi piccoli sono gli intervalli tanto pi il grafico approssima una curva continua, la cosiddetta curva di frequenza.

    Istogramma e poligono di frequenza per classi dimensionali ad intervallo costante (due differenti intervalli)

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    La curva di frequenza caratterizzata dalla moda, cio dal valore della distribuzione che si manifesta con la massima frequenza, e dallamediana, cio quel punto sullascissa attraverso il quale possibile tracciare una linea che divida la superficie sotto la curva in due parti uguali.Se la distribuzione simmetrica allora la media aritmetica, con scala lineare, e la media geometrica, con scala logaritmica, coincidono con la mediana. Una caratteristica della curva di frequenza la larghezza che costituisce una misura della dispersione del valore misurato attorno alla media.Si definisce scarto quadratico medio o deviazione standard, la media quadratica degli scarti dei dati intorno al valore medio. Il quadrato dello scarto quadratico medio si chiama varianza e viene spesso usata anche direttamente come misura della variabilit. La deviazione standard cos espressa :

    Quando si usa una classificazione logaritmica (loga), la deviazione standard della distribuzione logaritmica espressa per unit di classe :

    Per una distribuzione normale il 68.27% dei valori misurati compreso tra ma- ed ma + , cio ,una deviazione standard per ogni lato della media.

    ( )

    misurati. valoridi numero il

    misurati valorii tuttidi aritmetica media la

    intervallo questo di frequenza la

    mo -i intervallol'

    dove

    (18) 2

    n

    m

    f

    x

    n

    iamixif

    a

    i

    i

    =

    .geometrica media la

    dove

    (19) 2

    loglog

    gm

    n

    igmaixaif

    =

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    Curva di frequenza cumulativa per gli stessi valori misurati nelle curve precedenti.

    E possibile rilevare la differenza nella costruzione delle due curve: nellistogramma e nel poligono di frequenza normale, la frequenza si individua nel valore centrale della classe, mentre nella curva cumulativa la frequenza indicata dallestremo superiore della classe . Per la curva cumulativa, la mediana lascissa del punto cui corrisponde il 50% dellordinata. Tuttavia la curva di frequenza fornisce una pi chiara descrizione della natura della distribuzione, perci solitamente vengono tracciate entrambe.

  • 162

    Frattografia

    Morfologia di frattura macroscopica e microscopica (1722, de Raumur)

    Lobbiettivo della frattografia quello di analizzare la morfologia di frattura e di tentare di correlare la topografia della frattura ale cause e/o ai meccanismi di base della frattura.

  • 163

    Analisi macroscopica

    Morfologia duttile (coppa e cono) Morfologia fragile (clivaggio)

    Provette di trazione

    Rottura per fatica: Innesco in B e rottura di schianto in C

  • 164Influenza della direzione di applicazione del carico sulla forma dei dimple, formatisi per

    coalescenza di microvuoti

    La frattura nelle leghe di interesse industriale pu avvenire in modo transgranulare oppure intergranulare. In ogni caso, indipendentemente dal tipo di frattura, esistono essenzialmente 4 tipi di frattura: rottura per formazione di dimple clivaggio fatica rottura per decoesione

    Formazione di dimpleNel caso in cui il sovraccarico sia la principale causa della frattura, la maggior parte delle leghe commerciali si rompe per coalescenza di microvuoti. Questi microvuoti nucleano in corrispondenza di quelle

    zone in corrispondenza delle quali si ha una discontinuit nella deformazione localizzata (particelle di una fase secondaria, inclusioni, bordi grano). In corrispondenza di un aumento della deformazione, i microvuoti crescono, coalescono e formano una superficie continua. La superficie di frattura mostra delle piccole tazze rovesciate, appunto dette dimple.

  • 165

    La dimensione dei dimple sulla superficie governata dal numero e dalla distribuzione dei microvuoti che hanno nucleato. La densit e la distribuzione dei microvuoti giocano un ruolo essenziale nella dimensione e nella distribuzione dei dimple. Se questi nucleano in corrispondenza dei bordi grano, si otterr una rottura intergranulare per formazione di dimple.La forma dei dimple dipende dallo stato di sollecitazione presente nel materiale. Dalla figura precedente (a), ad esempio, si pu osservare che la frattura nel caso di sollecitazione a trazionemonodirezionale,

    Rottura intergranulare con formazione di dimples

    Dimples di varie dimensioni

    Dimples di varie forme

  • 166

    Frattura per sovraccarico di taglio di una lega di Ti

    Dimples allungati

    Come sopra, a maggiore ingrandimento

    Dimples allungati: meccanismo di formazione

  • 167

    ClivaggioE una modalit di frattura a bassa energia (con deformazione plastica praticamente trascurabile) che propaga lungo ben definiti piani cristallografici a basso indice, noti come piani di clivaggio. Teoricamente, dopo una frattura per clivaggio sarebbe possibile ricostruire perfettamente il manufatto facendo semplicemente ricombaciare i frammenti. Ci reso praticamente impossibile per la presenza di imperfezioni nel metallo, quali struttura policristallina, inclusioni, dislocazioni ed altre. Questo implica differenti forme con le quali la frattura per clivaggio si pu presentare, quali ad esempio i gradini di clivaggio, morfologia a fiume (river pattern), morfologia a piuma (feather marking), a zig zag (chevron), a lingua (tongue).

  • 168

    Morfologia a fiume

    Gradini di clivaggio

    Torsione (Twist)

    Acciaio 0,01C-0,24C-0,02Si, fratturato per impatto

    Lingue

    Acciaio 30%Cr, fratturato per clivaggio

  • 169

    Frattura a piuma, singolo grano di acciaio al cromo, fratturato per clivaggio

    Gradini di clivaggio in una lega Cu 25% Au

  • 170

    Frattura a faticaQuesta frattura si ha a seguito dellapplicazione di una sollecitazione ripetitiva (ciclica o meno). Essa normalmente si struttura in tre fasi: innesco; propagazione rottura catastroficaNel diagramma da/dN-K queste tre fasi corrispondono a tre differenti intervalli di K applicato.

    Nello stadio 1 le superfici di frattura sono sfaccettate, spesso simili al clivaggioNello stadio 2 la propagazione avviene solitamente in modo transcristallino e spesso mostra dei segni di arresto della propagazione della cricca detti linee di fatica o striature.Nello stadio 3 si ha la rottura di schianto, con la morfologia tipica dei casi di sovraccarico, duttile o fragile a seconda della lega

    dadN

    C Km=

  • 171

    Stadio 1 di propagazione della cricca di fatica: morfologia simile al clivaggio in un getto Ni-14Cr-4.5Mo-1Ti-6Al-1.5Fe-2.0(Nb+Ta)

    Stadio 2 di propagazione della cricca di fatica in una lega di Al 2024: presenza delle striature con attraversamento e

    superamento di uninclusione

  • 172

    Variazioni locali dello spazio fra le striature in una lega a base di Ni

    Striature in un acciaio inossidabile austenitico

    Striature in un grano di tantalio

  • 173

    Meccanismo di produzione delle striature mediante scorrimenti alternati allapice della cricca

    Striature su due fronti di cricca di fatica in una lega di Al 6061

  • 174

    Supporto in ghisa sferoidale

  • 175

    Frattura per decoesioneTale frattura si ha qualora la frattura non mostra deformazuione plastica evidente (anche a scala microscopica)e non avviene mediante formazione di dimple, clivaggio o fatica. E solitamente dovuta alla presenza di un ambiente aggressivo oppure ad una struttura monofasica ed associtata ad una frattura intercristallina. Essa pu essere dovuta a numerosi processi, quali ad esempio lindebolimento dei legami atomici (per adsorbimento di elementi estranei alla lega), rottura di film protettivi, dissoluzione anodica.

    Decoesione lungo bordi grano di grani equiassici

    Decoesione lungo una fase con debole bordo grano

    Decoesione lungo bordi grano di grani allungati

    Rottura decoesiva di un acciaio AISI 8740 per infragilimento da idrogeno

  • 176

    Rottura decoesiva intergranulare di un acciaio inossidabile per corrosione sotto sforzo

    Rottura decoesiva in parte intergranulare in parte per clivaggio di un ottone (30%Zn)