Kovové struktury a mechanické vlastnosti různých kovových materiálů se mění v důsledku tepelného zpracování a dalších faktorů. K řádnému hodnocení materiálů je zapotřebí provést spolehlivou analýzu velikosti zrn v souladu s průmyslovými normami.
Tato část uvádí příklady použití digitálního 4K mikroskopu společnosti KEYENCE. Tento mikroskop řeší problémy vizuálního porovnávání v rámci konvenční analýzy velikosti zrn a automaticky vypočítává čísla velikosti zrna podle průmyslových norem.

Průmyslové normy pro kvantitativní hodnocení analýzy velikosti zrn v kovových strukturách

Mechanické vlastnosti a velikosti zrn kovových materiálů

Vedle automobilů se kovové materiály běžně používají v řadě odvětví a výrobků od vybavení veřejné infrastruktury, přes budovy až po elektrická a elektronická zařízení. Jejich druhy se velmi různí a výběr vhodného materiálu je nutné provést podle použití a účelu. Například mechanické vlastnosti kovových materiálů používaných na karoserii automobilu a v součástech motoru se budou od sebe výrazně lišit. Kromě druhů kovových materiálů, jako jsou čisté kovy, například železo a hliník, a jejich slitiny, je důležité znát také kovové struktury a mechanické vlastnosti, které se mění v důsledku tepelného zpracování a dalších faktorů.

Kovové struktury jsou polykrystalická tělesa s krystalickou strukturou složenou z mnoha zrn. Mezi zrny je oblast deformovaného atomárního uspořádání, jehož hranice se nazývá hranice zrna.
Stejné kovy a slitiny mohou mít zrna uspořádána specificky v důsledku tepla nebo jiného zpracování. S tím jak atomární struktura roste, vzniká hranice zrn, která je odlišná od hranice před zpracováním. Se změnou velikosti zrn se mění také mechanické vlastnosti. Proto jsou velikosti zrn materiálu změněné teplem a dalšími postupy zpracování důležitým faktorem při hodnocení mechanických vlastností.

Metody hodnocení kovových struktur na základě analýzy velikosti zrn

Analýzou velikosti zrn kovové struktury lze zkontrolovat a vyhodnotit, zda má kovový materiál požadované mechanické vlastnosti. Obvykle se provádí analýza velikosti zrn, při které je připravený vzorek kovové struktury zkoumán metalurgickým mikroskopem a zjišťuje se velikost a rozložení zrn.

Pro analýzu velikosti zrn existují různé normy. Například ve Spojených státech amerických se analýza provádí podle normy ASTM E112-13: Standard Test Methods for Determining Average Grain Size (standardní metody zkoušení k určení průměrné velikosti zrna).
V mnoha případech jsou velikosti zrn analyzovány vizuální kontrolou porovnávací metodou. Velikosti zrn jsou obvykle odhadnuty nebo určeny následujícími metodami.

Vizuální porovnání pomocí standardních diagramů
Pracovník odhadne číslo velikosti zrna vizuálním porovnáním vzorku kovové struktury zvětšeného mikroskopem a standardního diagramu.
Standardní diagram velikostí zrna pro austenitickou ocel (100násobné zvětšení)
Číslo velikosti zrna 1
Číslo velikosti zrna 1
Číslo velikosti zrna 2
Číslo velikosti zrna 2
Číslo velikosti zrna 3
Číslo velikosti zrna 3
Číslo velikosti zrna 4
Číslo velikosti zrna 4
Číslo velikosti zrna 5
Číslo velikosti zrna 5
Číslo velikosti zrna 6
Číslo velikosti zrna 6
Číslo velikosti zrna 7
Číslo velikosti zrna 7
Číslo velikosti zrna 8
Číslo velikosti zrna 8
Vizuální porovnání pomocí tabulek velikostí zrna
Při vizuální kontrole je v zorném poli zvětšený vzorek společně se standardním diagramem. Pro tento účel se použije metalurgický mikroskop společně s tabulkou velikostí zrna pro optický objektiv, do něhož se vkládá obraz vzoru velikosti zrna.
Tabulka velikostí zrna pro optický objektiv metalurgického mikroskopu použitá při vizuálních porovnáních
Tabulka velikostí zrna pro optický objektiv metalurgického mikroskopu použitá při vizuálních porovnáních
Velikost zrna a průměr zrna
Kromě velikosti zrna se k vyjádření velikosti zrna někdy používá také průměr zrna. Velikost zrna je obvykle vyjádřena číslem velikosti zrna ve standardním diagramu v souladu s průmyslovými normami. Na druhou stranu je průměr zrna vyjádřen samotným průměrem zrna.
V mnoha případech platí, že čím větší je číslo velikosti zrna (čím menší je průměr zrna), tím lepší mechanické vlastnosti má kovový materiál.

Problémy při analýze velikosti zrn

Při analýze velikosti zrna porovnávací metodou se vyskytují následující problémy.

  • Analýzy velikosti zrna pomocí standardních diagramů nebo tabulek velikosti zrna se provádějí vizuálním porovnáním, takže tyto kontroly vyžadují určitou úroveň odborných schopností. Rozdíly ve výsledcích analýz prováděných různými pracovníky také brání kvantitativnímu vyhodnocení.
  • Pokud je na metalurgickém mikroskopu upevněna kamera, uloží se pouze obraz kovové struktury. To způsobí například následující problémy: nelze získat porovnávací obraz, na němž je zachycena také tabulka velikostí zrna pro optický objektiv, a není zaznamenán průsečík kovové struktury, v němž bylo provedeno porovnání a analýza.
  • Ruční zapisování výsledků analýzy na papír nebo do počítače znamená čas a úsilí a špatně zadané údaje mohou způsobit riziko nesprávného vyhodnocení.

Kvantifikace a zjednodušení analýzy velikosti zrn pomocí měření velikosti zrn

Digitální 4K mikroskop KEYENCE řady VHX s mimořádně vysokým rozlišením řeší různé problémy v rámci analýzy velikosti zrn. Umožňuje provádět přesnou analýzu, měření a kvantitativní hodnocení velikostí zrn. Současně má jednoduchou obsluhu, která nezávisí na odborných schopnostech osoby provádějící kontrolu.

Mikroskopy řady VHX jsou vybaveny objektivem s vysokým rozlišením, snímačem CMOS s rozlišením 4K a speciálně navrženými systémy pro pozorování a měření. Tento špičkový digitální mikroskop řady VHX poskytuje uživatelům nejen zvětšené obrazy ve vysokém rozlišení 4K, ale nabízí také komplexní funkce potřebné pro analýzu velikosti zrn kovových struktur, jako je vysoce přesné 2D a 3D měření a měření velikosti zrna (které automaticky vypočte čísla velikosti zrna podle průmyslových norem).
Z výsledků rozhovorů s uživateli v terénu navíc vyplývá, že má intuitivní uživatelské rozhraní a snadnou obsluhu, která nezávisí na odborných schopnostech uživatele.

Tato část uvádí příklady použití mikroskopu řady VHX při analýze, měření a kvantitativním hodnocení velikosti zrn.

Kvantitativní hodnocení podle průmyslových norem pomocí funkce měření velikosti zrn

Digitální 4K mikroskop řady VHX dokáže automaticky vypočítat čísla velikosti zrna podle průmyslových norem, jako je ASTM E112-13, na základě zvětšených obrazů ve vysokém rozlišení. Z počtu průsečíků a doplňkového počtu zrn lze také vybrat vhodnou metodu měření pro kovový materiál.

Pokud při vizuálním porovnání není zřejmé, k jakému číslu velikosti zrna určité zrno přísluší, může dojít k rozdílným výsledkům hodnocení mezi různými pracovníky.
V případě mikroskopu řady VHX však lze číslo velikosti zrna odvodit kvantitativně přesným měřením.

Automatické měření velikosti zrna kovové struktury pomocí digitálního 4K mikroskopu řady VHX
800násobné zvětšení
800násobné zvětšení

Nižší vliv stupně vyleštění vzorku kovové struktury

Pokud pozorovaná plocha vzorku není rovná (například nerovnoměrně vyleštěný povrch vzorku zalitého v pryskyřici), lze v důsledku omezené hloubky ostrosti zaostřit pouze část objektu.
V případě digitálního 4K mikroskopu řady VHX umožňuje hloubková kompozice bez ostření okamžitě získat obrazy ve vysokém rozlišení, na kterých je plně zaostřený celý pozorovaný povrch vzorku, a to i tehdy, když je vzorek zalitý v pryskyřici a má skloněný nebo nerovný povrch.

Měření velikosti zrna kovové struktury pomocí digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Normální
Bez hloubkové kompozice
Hloubková kompozice
Hloubková kompozice
Pozorování vzorku kovové struktury pomocí hloubkové kompozice
Pozorování vzorku kovové struktury pomocí hloubkové kompozice

Snadné snímání obrazu v širokém zorném poli a obrazů ve vysokém rozlišení

Funkce spojování obrazu nabízená digitálním 4K mikroskopem řady VHX nepřetržitě snímá obrazy, přičemž inspekční plocha je ovládána automaticky pouhým stisknutím tlačítka. Obrazová data z různých zorných polí lze rychle spojovat bez chyb zarovnání, a tím vytvořit obraz obsahující až 50 000 × 50 000 pixelů. Protože zvětšení a rozlišení se nemění, lze tento obraz použít jako pohled rybího oka, který umožňuje efektivní pozorování.

Konvenční problém: Vysoké rozlišení, ale úzké zorné pole
Vysoké rozlišení, ale úzké zorné pole
Širokoúhlý obraz vytvořený funkcí spojování obrazu pomocí digitálního 4K mikroskopu řady VHX
Funkce spojování obrazu automaticky ovládá inspekční plochu, aby bylo možno snímat velkou oblast a současně zachovat vysoké zvětšení a rozlišení.
Funkce spojování obrazu automaticky ovládá inspekční plochu, aby bylo možno snímat velkou oblast a současně zachovat vysoké zvětšení a rozlišení.

Jediné zařízení, které provádí množství operací od pozorování kovové struktury až po analýzu velikosti zrn

Kromě funkcí představených v této části je digitální 4K mikroskop řady VHX s mimořádně vysokým rozlišením vybaven mnoha dalšími užitečnými funkcemi pro pozorování, analýzu a kontrolu kovových materiálů.
Mikroskop řady VHX nabízí snadnou obsluhu a mnoho funkcí, mezi které patří například funkce odstranění odlesků (není náchylná na vliv specifické světelné odrazivosti povrchu a submikronovou velikost struktur) a přesná 2D a 3D měření, která mohou uživatelé provádět jednoduchým výběrem zvětšeného obrazu.
Do mikroskopu řady VHX lze také instalovat aplikaci Excel. Funkce sestavy v mikroskopu řady VHX automaticky zadává obsah, jako jsou zvětšené obrazy a naměřené hodnoty, do požadované šablony. Jediným mikroskopem můžete rychle a snadno provádět různé operace, a tím výrazně zvýšit efektivitu práce.

Podrobné informace o řadě VHX získáte po kliknutí na tlačítko ke stažení katalogu níže. V případě dotazů klikněte níže na druhé tlačítko umožňující kontaktování společnosti KEYENCE.