Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние металлографии силуминов (обзор литературы) 9
1.1. Общая характеристика силуминов 9
1.1.1. Производство и применение алюминиевых сплавов 9
1.1.2. Принципы легирования силуминов 10
1.2. Структурный и фазовый состав двойных и медистых силуминов 12
1.2.1. Основные диаграммы состояния двойных и медистых силуминов 12
1.2.2. Основные фазы в структуре промышленных двойных и медистых силуминов, их морфология и влияние на свойства сплава 17
1.2.3. Основные виды термообработки и их влияние на структуру алюминиевых сплавов 23
1.3. Металлографический анализ алюминиевых сплавов 25
1.3.1. Методы выявления структуры алюминиевых сплавов 25
1.3.2. Методы оценки структуры деформируемых алюминиевых сплавов и силуминов 28
1.3.3. Влияние параметров структуры на механические свойства силуминов 1.4. Проблемы и недостатки существующих методов оценки качества структуры силуминов и направления их совершенствования 39
1.5. Основные выводы по аналитическому обзору литературы 40
ГЛАВА 2. Материалы и методика исследования 41
2.1. Материалы исследования 41
2.2. Методы исследования 45
ГЛАВА 3. Разработка методов количественной оценки структуры доэвтектических силуминов 53
3.1. Термодинамическое моделирование фазообразования 53
3.2. Влияние термической обработки на структуру сплава АК6М2 56
3.3. Результаты количественного металлографического анализа 60
3.3.1. Дисперсность дендритной структуры сплава 60
3.3.2. Субмикронные упрочняющие фазы и состояние твёрдого раствора 68
3.3.3. Количественная оценка пористости силуминов 70
3.3.4. Оценка эвтектики в структуре силуминов 74
3.3.5. Оценка морфологии кремния в эвтектике 78
3.3.6. Оцифровка стандартных шкал эвтектики в силуминах Американского общества литейщиков 86
3.3.7. Интерметаллидные включения 89
3.3.8. Результаты металлографической оценки образцов сплава АК6М2 без термообработки и после отжига
3.4. Взаимозависимость параметров структуры 92
3.5. Выводы по главе 3 95
ГЛАВА 4. Выявление взаимосвязей «структура-свойства» доэвтектических силуминов без термообработки и послеотжига 96
4.1. Оценка влияния структурных параметров на механические свойства сплава АК6М2 96
4.2. Влияние структуры на предел прочности сплава АК6М2 99
4.3. Отбраковка образцов по пористости для поиска взаимосвязи «структура-свойства» 101
4.4. Влияние структуры на твёрдость сплава АК6М2 104
4.5. Влияние структуры на относительное удлинение сплава АК6М2 108
4.6. Выявление взаимосвязей «структура-свойства» для силуминов разного состава 133
4.7. Методика оценки качества структуры двойных и медистых силуминов без термообработки и после отжига 135
4.8. Выводы по главе 4 137
ГЛАВА 5. Разработка методов количественной оценки структуры и выявление взаимосвязей «структура-свойства» сплава ак6м2 после закалки и полного искусственного старения 138
5.1. Анализ результатов механических испытаний сплава АК6М2 после Т6 139
5.2. Исследование структуры сплава АК6М2 после закалки и искусственного старения 140
5.3. Выбор параметров для построения моделей «структура-свойство»
5.3.1. -твёрдый раствор на основе алюминия 144
5.3.2. Эвтектика (Al)+(Si) 144
5.3.3. Морфология кремния в эвтектике 145
5.3.4. Интерметаллидные включения 146
5.3.5. Пористость
5.4. Результаты оценки структуры сплава АК6М2 после Т6 147
5.5. Поиск парных корреляций параметров структуры сплава АК6М2 после Т6 148
5.6. Влияние параметров структуры на твёрдость сплава АК6М2 после Т6 151
5.7. Влияние параметров структуры на относительное удлинение сплава АК6М2 после Т6 152
5.8. Построение моделей твёрдости и относительного удлинения для сплава АК6М2 после Т6 154
5.9. Оценка влияния параметров структуры на механические свойства сплава АК6М2 после Т6 156
5.10.Методика оценки качества структуры двойных и медистых силуминов после закалки и старения 158
5.11.Выводы по главе 5 159
Общие выводы 160
Список литературы 163
- Основные фазы в структуре промышленных двойных и медистых силуминов, их морфология и влияние на свойства сплава
- Методы исследования
- Субмикронные упрочняющие фазы и состояние твёрдого раствора
- Влияние структуры на твёрдость сплава АК6М2
Введение к работе
Актуальность работы
В промышленности механические свойства металлических материалов являются основной сдаточной характеристикой, на которой строится вся система их качества. Это понятно, так как расчёты конструкторов при оценке работоспособности и ресурса деталей основаны на характеристиках механических свойств сплавов, которые могут быть измерены количественно при испытаниях соответствующих образцов. Однако микроструктура, например, литых образцов, на которых определены свойства, и микроструктура сплавов в готовой отливке, как правило, различны. Более того, литая деталь разнотолщинная, а, следовательно, скорости затвердевания в её малых и больших сечениях, как и в одном сечении, но у поверхности и в центре, будут значительно различаться. По этой причине структура сплава в готовых отливках будет различной в разных локальных объёмах, затвердевающих с разной скоростью.
Современное программное обеспечение позволяет производить прочностные расчёты вплоть до разрушения сложных изделий или целых конструкций. Однако особенности микроструктуры в разных локальных точках сложных фасонных отливок и связанное с этим изменение механических свойств до настоящего времени не учитываются.
Все вышесказанное справедливо и для силуминов – литейных сплавов на основе системы Al-Si, широко применяющихся для фасонного литья в авто-, мото-и авиастроении и других отраслях промышленности.
Разработка количественных методов оценки микроструктуры силуминов позволит не только объективно проводить приёмо-сдаточные испытания, но и построить систему качества производства таких сплавов в целом. Установленные взаимосвязи «структура-свойство» значительно повысят точность и достоверность прочностных расчётов, а также оценок ресурса изготовленных из этих сплавов деталей и конструкций.
Степень разработанности
В настоящее время система качества для алюминиевых сплавов построена в
основном на измерении их механических свойств, а для оценки структуры
используют стандартные шкалы, например, дисперсности эвтектики (шкала
микроструктур силуминов Американского общества литейщиков) или пористости (ГОСТ 1583-93), либо атласы микроструктур, в том числе с описанием браковочных признаков, например, пережога. Методики автоматического количественного анализа структуры алюминиевых сплавов отсутствуют.
Цель работы: Разработка методической основы системы качества промышленных доэвтектических силуминов на базе количественной оценки их микроструктуры методами оптической металлографии.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Выявлены фазовые и структурные составляющие медистых силуминов, определяющие их механические свойства.
-
Разработаны методики количественного описания структуры силуминов, основанные на анализе панорамных изображений.
-
Выполнен критический количественный анализ отдельных структурных параметров силуминов на предмет их взаимозависимости и значимости влияния на механические свойства сплавов.
-
Установлены количественные закономерности «структура-свойство» для промышленных медистых силуминов и определены критические значения параметров структуры, обеспечивающие механические свойства сплавов, соответствующих требованиям ГОСТ 1583-93.
Научная новизна:
-
Разработана методическая основа системы качества промышленных доэвтектических медистых силуминов, основанная на количественной оценке их микроструктуры.
-
Выполнена количественная оценка взаимозависимости и значимости влияния на механические свойства сплавов отдельных структурных параметров медистых силуминов.
-
Установлены количественные закономерности «структура-свойство» для прогнозирования твёрдости и относительного удлинения медистых силуминов по их структуре.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны современные количественные методики оценки структуры
медистых силуминов с помощью автоматического анализа панорамных
изображений для:
а. объёмной доли эвтектики;
б. дисперсности эвтектики, согласующейся со шкалой микроструктур
силуминов Американского общества литейщиков;
в. пористости, согласующейся с баллом по ГОСТ 1583-93.
-
Определены требования к микроструктуре сплава АК6М2 в литом, отожжённом, закалённом и искусственно состаренном состояниях, которые могут гарантировать механические свойства, соответственно, регламентированные ГОСТом или требованиями заказчика.
-
Разработаны методики травления для выявления дендритной структуры и интерметаллидных включений в силуминах, позволяющие повысить точность их количественной оценки.
Положения, выносимые на защиту:
-
Взаимозависимость отдельных структурных параметров силуминов и их значимость влияния на механические свойства сплавов.
-
Количественные методики оценки структуры силуминов с помощью автоматического анализа панорамных изображений, в частности:
применение текстурного анализа для оценки объёмной доли эвтектики, основанное на дискриминации по признаку «гомогенность»;
применение Евклидовой карты расстояний для количественной оценки дисперсности эвтектики;
количественная зависимость балла пористости по ГОСТ 1583-93 от объёмной доли пор в сплаве.
-
Уравнения регрессии, адекватно описывающие твёрдость и относительное удлинение сплава АК6М2 в литом, отожжённом, закалённом и искусственно состаренном состояниях, в зависимости от найденных независимых параметров структуры.
-
Методики селективного травления для выявления дендритной структуры и интерметаллидных включений с последующей их количественной оценкой на панорамных изображениях.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены: на
международной научно-технической конференции «Современные металлические
материалы и технологии (СММТ’2013)», Санкт-Петербург, 2013г; на молодёжной научно-практической конференции в рамках Недели науки СПбПУ, Санкт-Петербург, 2014г; на международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», Санкт-Петербург, 2014г; на международном симпозиуме «Microscopy and Microanalysis 2015», Портланд, Орегон, США, 2-6 августа 2015г.
Результаты диссертационной работы отражены в 6-ти публикациях, 2 из которых включены в перечень ВАК и международную базу Scopus.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в постановке цели и задачи работы, подготовке и проведении теоретической и экспериментальной работы, обработке полученных в результате исследования данных, их обобщении и формулировке выводов, в подготовке к публикации полученных результатов.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 5 глав, 11 выводов, библиографического списка из 83 наименований. Работа изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 109 иллюстраций и 13 таблиц.
Основные фазы в структуре промышленных двойных и медистых силуминов, их морфология и влияние на свойства сплава
Алюминиевые сплавы являются лидерами по объёмам производства среди цветных металлов и широко используются во многих отраслях промышленности ввиду уникальных особенностей алюминия: хорошее сочетание механических и технологических свойств, низкая плотность, высокие коррозионные свойства, распространённость в природе сырья для его производства. Сплавы на основе алюминия применяются в авиа- и судостроении, в различных деталях и узлах железнодорожного и автомобильного транспорта, в нефтяной промышленности, а также как конструкционный материал в строительстве.
Все алюминиевые сплавы, используемые в промышленности, подразделяют на два типа: литейные и деформируемые. Эти сплавы обладают кардинально разным набором свойств и выполняют совершенно разные задачи.
Круглые и плоские слитки деформируемых алюминиевых сплавов подвергают обработке давлением (прессованию, штамповке, экструзии и т.д.). Эти сплавы должны обладать высокими пластическими свойствами.
Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления фасонных отливок. Они обладают высокой жидкотекучестью, низкой склонностью к образованию усадочных пустот и кристаллизационных трещин [1]. В России литейные алюминиевые сплавы представлены в основном силуминами – сплавами на основе системы Al-Si. Эти сплавы эвтектического типа обладают всеми вышеуказанными свойствами, а за счёт легирования и термообработки их механические свойства могут быть повышены дополнительно. Данные сплавы производят из алюминия технической чистоты или двойных эвтектических силуминов, однако в массовом производстве часто применяют и вторичное сырье.
Свойства силуминов значительно изменяются при легировании, что обусловлено изменением фазового состава сплава, позволяющим применять различные методы упрочнения. Рассмотрим основные легирующие элементы, применяемые для силуминов [1]:
Кремний вводят в сплавы на основе алюминия не для упрочнения. Несмотря на высокую (до 1,65% по массе) растворимость при эвтектической температуре, введение кремния не даёт существенного прироста прочности при дисперсионном упрочнении. Однако он образует двойную эвтектику (Al)+(Si), формирование которой определяет литейные свойства сплавов.
Даже незначительные добавления меди и магния позволяют значительно повысить прочность сплавов в литом состоянии [2, 3, 4, 5]. Относительная разница атомных радиусов алюминия и этих элементов составляет -10,5% для меди и 11,7% для магния. Поэтому они обеспечивают существенное твердорастворное упрочнение: 1 % (ат.) меди или магния приводит к повышению прочности сплава на 30-40 МПа [1].
Медь является очень эффективной упрочняющей добавкой, так как её растворимость в алюминии резко снижается при понижении температуры от эвтектической до комнатной (с 4-5% до практически 0%). В результате старения после закалки медь-содержащих сплавов происходит выделение наноразмерной -фазы (Al2Cu), что приводит к дисперсионному упрочнению [1]. Однако добавки меди снижают коррозионную стойкость сплава [6].
Добавление магния повышает коррозионные свойства сплава и мало снижает пластичность, что позволяет получить уникальный комплекс свойств. Добавление к этой системе кремния приводит к формированию фазы Mg2Si, и в виду снижения растворимости Mg2Si в твёрдом растворе при охлаждении силумины с магнием термически упрочняемы [1]. Цинк малоинтересен как самостоятельный легирующий элемент, но совместно с другими легирующими он позволяет значительно повышать механические свойства сплавов за счёт дисперсионного твердения.
Помимо основных легирующих применяются вспомогательные добавки.
Наиболее широко применяемая малая добавка к алюминиевым сплавам – марганец, которая, наряду с другими переходными металлами, используется для дисперсионного упрочнения сплава. Среди переходных металлов стоит отметить скандий. Даже малые его добавки приводят к упрочнению сплава, соизмеримому с эффектом от введения нескольких процентов магния. Добавки переходных металлов (в особенности титана и циркония) улучшают технологичность сплавов за счёт измельчения зерна. Кроме того цирконий, хром, марганец и ванадий повышают коррозионные свойства сплавов [1].
Введение железа, никеля и церия приводит к формированию фаз кристаллизационного происхождения ввиду их низкой растворимости в алюминии. Эти фазы существенно снижают пластичность и коррозионную стойкость сплава. По этой причине их содержание в алюминиевых сплавах строго регламентировано, в особенности в ответственных изделиях. Однако их алюминиды повышают жаропрочность сплавов. Также эти элементы существенно повышают объёмную долю эвтектики, что улучшает литейные свойства [1].
Кадмий и серебро используют для повышения эффективности старения сплавов на основе системы Al-Si-Cu-Mg. Введение 0,2-0,3% кадмия приводит к изменению фазового состава и может повысить прочность после закалки и старения сплава на 100-150 МПа [1].
Добавки сотых долей процента натрия и стронция используют для модифицирования эвтектики (Al)+(Si) в силуминах [7]. Для измельчения первичных кристаллов кремния в заэвтектических силуминах часто используют фосфор [8].
Методы исследования
Процессы, идущие в сплаве при изотермической выдержке перед закалкой, сходны с процессами при гомогенизации сплава. Однако, в результате последующей закалки, частичный распад пересыщенного -твёрдого раствора с выделением фаз легирующих элементов блокируется.
Далее сплавы подвергаются искусственному или естественному старению с целью выделения наноразмерных упрочняющих частиц и повышения прочностных характеристик. Старение наиболее важных систем на основе алюминия хорошо изучено, однако данных о влиянии исходной литой структуры на распад твёрдого раствора при старении недостаточно.
Из-за внутрикристаллитной ликвации легирующих элементов распределение продуктов распада в структуре сплава после старения неоднородно: полный распад наблюдается больше на периферии дендритных осей, обогащённой легирующими элементами, что может приводить к образованию разных по структуре выделений в различных сечениях.
Повышение легированности закалённого твёрдого раствора приводит к повышению дисперсности продуктов распада при оптимальном режиме старения, большему числу этих продуктов, меньшему межчастичному расстоянию, что приводит к росту прочностных свойств сплава. В свою очередь разные температуры и длительность выдержки при нагреве под закалку определяют легированность твёрдого раствора, что приводит к образованию разных по размерам и характеру распределения вторичных выделений алюминидов переходных металлов, являющихся зародышами для основных фаз упрочнителей во время старения.
Изменение скорости охлаждения при кристаллизации влияет на устойчивость алюминиевого раствора и на дисперсность продуктов распада аналогично влиянию режима нагрева под закалку. При отсутствии добавок переходных металлов характер выделения упрочняющих фаз не зависит от исходной литой структуры.
В силуминах в процессе нагрева сплава под закалку происходит сфероидизация частиц эвтектического кремния, что приводит к изменению механических свойств: повышению пластических и понижению прочностных свойств [20, 21].
В настоящее время методы металлографического контроля силуминов разработаны крайне мало. В данном разделе будут рассмотрены методы оценки структур как силуминов, так и деформируемых сплавов, с целью выявления приёмов, которые могут быть применены для разработки методической основы контроля качества структуры силуминов.
Выявление структуры деформируемых алюминиевых сплавов, как правило, достаточно индивидуально - выбор методик выявления структуры сильно зависит от химического состава.
Макроструктуру этих сплавов выявляют химическим травлением в 10-20% водном растворе едкого натра в течение 10-30 минут с последующим осветлением в 25-50% водном растворе азотной кислоты [22] (рис. 1.12). Рис. 1.12. Макроструктура сплава АА6063 [23]
Также для выявления макроструктуры используют реактив Тукера 1: 640 мл НС1, 320 мл, HN03, 40 мл HF. Микроструктуру этих сплавов выявляют по следующим методикам [24]: химическое травление реактивом Келлера (95 воды, 2,5 мл HNO3, 1,5мл НС1, 1 мл HF) в течение 5-20 сек; химическое травление в щелочном фториде натрия (93 мл воды, 2г NaOH, 5g NaF) в течение 5-20 сек; химическое травление реактивом Graff-Sargent (84 мл воды, 15,5 мл HN03, 0,5 мл HF, 3 г СЮ3) в течение 5-20 сек; электрохимическое травление реактивом Баркера (98,2 мл воды, 1,8 мл HBF4) при анодном напряжении 20-45В, времени травления до 2 минут с последующим исследованием в поляризованном свете. Единственным из представленных выше универсальным методом травления деформируемых алюминиевых сплавов является травление реактивом Баркера (рис. 1.13). Однако оно требует специального оборудования, что осложняет его применение. Остальные предложенные методы травления выбираются специально для конкретного сплава.
Субмикронные упрочняющие фазы и состояние твёрдого раствора
В представленной работе были использованы следующие методы: 1) Оценка механических свойств (предел прочности, удлинение) при комнатной температуре с помощью универсальной машины Zwick/Roell Z150 по ГОСТ 1497-84 [60]. 2) Оценка твёрдости сплавов по методу Роквелла (шкала H) с помощью твердомера ТБ 5004 по ГОСТ 9013-59 [61]. 3) Определение микротвёрдости структурных составляющих на микротвердомере Buehler MicroMet 6040 по ГОСТ 9450-76 [62]. 4) Рентгеноспектральный микроанализ химического состава интерметал-лидных фаз (РСМА) проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра Oxford Instruments X-Max 80, установленного на растровый электронный микроскоп (РЭМ) Zeiss Supra 55VP. 5) Природу обнаруженных фаз интерпретировали, используя термодинамическое моделирование на программном обеспечении FactSage с базами данных SGTE [63]. 6) Металлографический анализ проводили с помощью моторизованного оптического микроскопа (ОМ) Carl Zeiss Axiovert 200 MAT, оснащённого анализатором изображений Thixomet Pro. 7) Множественный регрессионный анализ выполняли с помощью программного пакета для статистического анализа StatSoft Statistica [64]. Механические свойства сплавов (предел прочности, удлинение) определяли с помощью испытаний на разрыв литых образцов с использованием универсальной машины Zwick/Roell Z150 (рис. 2.1, а) по ГОСТ 1497-84. Из каждого образца после испытания изготавливали микрошлиф под поверхностью разрыва как показано на рис. 2.1, б.
Универсальная машина Zwick/Roell Z150 (а) и выбор плоскости для металлографических исследований (б) Подготовку металлографических шлифов осуществляли по следующей методике: 1) Вырезку образцов проводили на отрезном станке Delta AbrasiMet Cutter с использованием абразивного отрезного диска Buehler C80NB 95-B-2205 2) Заливку образцов в полимерную смолу производили на прессе SimpliMet 1000 с использованием смолы PhenoCure. Режим запрессовки следующий: время нагрева 1,5 мин, время охлаждения 3 мин, температура 150оС, давление 290 бар 3) Шлифование и полировку на алмазных суспензиях образцов производили на станке Phoenix 4000. Режимы шлифоподготовки приведены в таблице 2.6. Таблица 2.6 Режимы шлифоподготовки металлографических шлифов Бумага/ткань Абразив Давление, Lbs Время, сек Скоростьвращения,об/мин Абразивная бумага Carbimet 240 grit,водяноеохлаждение 23 Довыравниванияплоскости 200 по часовой стрелке Apex DGD, PSA Backed Qty 1 41-5510 15 микрон 15 мкм,водяноеохлаждение 23 300 сек 200 по часовой стрелке Ткань Ultra-Pad 9 мкмсуспензияMetadisupreme 23 300 сек 150 по часовой стрелке Ткань Trident 3 мкмсуспензияMetadisupreme 23 240 сек 150 по часовой стрелке Ткань Microcloth 0,05 мкм суспензия MasterPrep 23 2 мин 100 по часовой стрелке На полученных микрошлифах оценивали твёрдость сплава методом Роквелла (шкала H) с помощью твердомера ТБ 5004 (рис. 2.2, а) по ГОСТ 9013-59. Микротвёрдость -твёрдого раствора на основе алюминия определяли на 5 участках образца при нагрузке 50г и времени нагружения 10 сек на микротвердомере Buehler MicroMet 6040 (рис. 2.2, б) по ГОСТ 9450-76, расстояние между отпечатками не менее 1 мм (рис. 2.3). На каждом участке проводили не менее 3 испытаний. Результаты измерений подвергали статистической обработке.
Схема расположения участков для оценки микротвёрдости под поверхностью разрушения образца на растяжение Для распознавания интерметаллидных включений с помощью РСМА определяли их элементный состав с помощью энергодисперсионного спектрометра Oxford Instruments X-Max 80, установленного на растровый электронный микроскоп (РЭМ) Zeiss Supra 55VP (рис. 2.4). Для дальнейшей идентификации каждой из обнаруженных фазовых составляющих определяли стехиометрическое соотношение между химическими элементами.
В ходе работы проводили термодинамическое моделирование процессов фазообразования в исследуемых сплавах с помощью программного обеспечения FactSage, оснащённого базами данных SGTE. Получали зависимости массы фаз от температуры. Расчёты затвердевания проводили по правилу неравновесного рычага в соответствии с уравнением Гулливера-Шейла, что позволило прогнозировать температуру начала образования фаз и динамику их роста, которые максимально адекватно описывают реальные процессы фазообразования.
Полученные таким образом знания термовременной природы фаз, состав которых найден с помощью РСМА, использовали для интерпретации микроструктуры, включая морфологию отдельных её составляющих, видимых в световой оптический микроскоп.
Оценку структуры сплавов проводили в соответствии с принципами стереологической металлографии [40], используя металлографический микроскоп Zeiss Axiovert 200 MAT, оснащённый анализатором изображений Thixomet Pro. Стереометрическая металлография позволяет на основе результатов изучения микроструктуры сплавов на плоскости сделать ее количественное описание в объёме. Принцип оцифровки металлографических изображений заключается в следующем: 1) захват изображения структуры (рис. 2.5, а); 2) выделение структурных составляющих по уровню серого (рис. 2.5, б); 3) анализ изображения по разработанному алгоритму, включая удаление артефактов (рис. 2.5, в); 4) статистическая обработка результатов измерений (рис. 2.5, г).
Влияние структуры на твёрдость сплава АК6М2
Важным параметром, характеризующим свойства литейных сплавов, является пористость. Как было показано в главе 1.3.2, оценка пористости по ГОСТ 1583-93 имеет ряд серьёзных недостатков. Оценка объёмной доли пор по ASTM Е 1245 имеет ряд важных преимуществ над такой оценкой: оценка объёмной доли не имеет нижнего и верхнего предела оценки, и позволяет адекватно оценить поры любого размера; анализ образца по ASTM Е 1245 подразумевает использование микроскопа, что позволяет увеличить диапазон подвергаемых оценке пор до размеров, различимых в микроскоп; при таком анализе учитываются все поры. Так, например, образец, содержащий большое количество пор небольшого размера, не будет считаться кондиционным. В рамках настоящего исследования Стандартные шкалы пористости по ГОСТ 1583-93 были оцифрованы с помощью ASTM E 1245. В таблице 3.2 представлены предельные объёмные доли пор по ASTM E 1245 для каждого балла пористости по ГОСТ 1583-93. Балл пористости по ГОСТ 1583-93 адекватно описывается объёмной долей пор по ASTM E 1245. На рис. 3.15 приведена построенная зависимость между баллом пористости (Gp) и объёмной долей пор (Vp). Эта зависимость носит степенной характер: + Пористость силуминов оценивали на панорамном изображении полной площади образца под поверхностью разрушения при увеличении 50. Учитывались поры размером более 5 мкм (рис 3.16).
Отметим, что при всё ещё допустимой объёмной доле пор, соответствующей 3 баллу по ГОСТ 1583-93, часто наблюдаются значительное снижение прочности при испытании на растяжение. На рис. 3.17 приведена микроструктура сплава АК6М2 с мелкодисперсной эвтектикой, благоприятной для механических свойств сплава. Объёмная доля пор на этом образце соответствует 3 баллу по ГОСТ 1583-93, неметаллические включения и дефекты не обнаружены. Такой образец должен иметь удовлетворительные механические свойства. Однако он имеет очень низкую прочность в=160 МПа, поэтому выбор 3 балла пористости по ГОСТ 1583-93, как предельно допустимого, должен быть уточнён по объёмной доле пор. Это уточнение будет рассмотрено в разделе 4.2.
Таким образом, по результатам исследований рекомендуется наряду со стандартной процедурой оценки пористости методом стандартных шкал по ГОСТ 1583-93 проводить оценку объёмной доли пор с помощью анализатора изображений по ASTM E 1245.
Для оценки объёмной доли пор в этой работе предложена следующая методика: 1) построение панорамного изображения микроструктуры силумина площадью не менее 1 см2 или полной площади шлифа под поверхностью разрушения при увеличении 50; 2) выделение пор с помощью порога дискриминации по уровню серого; 3) предварительный анализ объёмной доли пор по стандарту ASTM E 1245, включая удаление артефактов анализа; 4) окончательный анализ и статистическая обработка результатов. 3.3.4. Оценка эвтектики в структуре силуминов Сплав АК6М2 относится к медистым силуминам. Основными структурными элементами этих сплавов являются твёрдый раствор легирующих элементов в алюминии и эвтектика. Эвтектическая составляющая структуры занимает значительный объём сплава и в большой степени определяет его механические свойства.
Объёмная доля эвтектики в сплаве является одной из самых важных характеристик силуминов. Определение этой величины не представляет затруднений для мелкодисперсной эвтектики (рис. 3.18, а), границы колоний которой с твёрдым -раствором чётко очерчены. В случае грубой (рис. 3.18, б) или вырожденной (рис. 3.18, в) эвтектики нет чётких границ эвтектических колоний с -раствором на основе алюминия, поэтому их определение известными методами невозможно. Наибольшее снижение пластичности наблюдается в сплавах с грубыми эвтектическими колониями, связанными в объёме в единый скелет.
Для количественной оценки с помощью анализа изображений объёмной доли эвтектики независимо от её морфологии предложен алгоритм, основанный на текстурном анализе и заключающийся в следующем: 1) на панорамных изображениях (рис. 3.19, а) выделяли по уровню серого эвтектический кремний и интерметаллиды, выбирая соответствующий уровень порога дискриминации (рис. 3.19, б); 2) бинаризация изображения с учётом найденного порога дискриминации (рис. 3.20); 3) к полученному бинаризованному изображению применяли морфологическую операцию раскрытия, позволяющую удалить мелкие артефакты изображения; 4) применяли текстурный анализ для определения границ эвтектических колоний (рис. 3.21). Текстурный анализ заключается в выделении количественных признаков, которые характеризуют данное изображение. Одним из способов нахождения текстурных признаков изображения является построение матриц совместной встречаемости уровней серого Pd, элементы которых представляют собой условную вероятность Pd(i,j) возникновения пикселя с уровнем яркости i на расстоянии d от пикселя с уровнем яркости j. Далее вычисляют параметр «гомогенность» (Hd) [75, 76]:
Гомогенность характеризует рассеяние матрицы Pd (i,j) относительно главной диагонали, которое отражает размер зерна или грубость текстуры. Для областей изображения, находящихся в -растворе, коэффициент гомогенности будет больше, чем для эвтектики. Таким образом, задав порог дискриминации по гомогенности, можно выделить область, ограниченную эвтектикой;