Дука Валентина Владимировна - старший преподаватель, кафедра «Материаловедение и технологии металлов».
344003, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Scopus ID 57204642574
Valentina V. Duka - Senior Lecturer of the Department of Materials Science and Technology of Metals, Don State Technical University.
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Scopus ID 57204642574
Арефьева Людмила Павловна - доктор физико-математических наук, доцент, доцент, кафедра «Материаловедение и технологии металлов».
344003, Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Scopus ID 24176599100; ResearcherID J-4075-2017
Lyudmila P. Aref’eva - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Materials Science and Technology of Metals, Don State Technical University.
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Scopus ID 24176599100; ResearcherID J-4075-2017
Введение. Современные материалы требуют глубокого понимания их структуры для прогнозирования эксплуатационных свойств. Применение различных методик и программ для визуализации, таких как оптическая и электронная микроскопия, ограничено двумерными изображениями, что затрудняет детальный анализ морфологии. Несмотря на наличие исследований в этой области, существует недостаток в понимании трехмерной организационной структуры материалов, что создает пробелы в знании о влиянии геометрии на физические свойства композитов. Программа ImageJ была выбрана для данного исследования благодаря своей многофункциональности и поддержке множества форматов, что значительно упрощает анализ. Она также предлагает мощные инструменты для автоматизации процессов и позволяет извлекать 3D-информацию из двумерных изображений, что критично для точной идентификации структурных компонентов. Настоящее исследование направлено на устранение недостающей информации, фокусируясь на анализе морфологии стального феррито-мартенситного композита. Цель работы — идентификация 3D-структуры поверхности композита, что позволит улучшить понимание его эксплуатационных характеристик и подтвердить значимость выбора подходящих методов визуализации.
Материалы и методы. В качестве исходного материала для анализа было выбрано изображение микроструктуры стального естественного феррито-мартенситного композита (ЕФМК), полученное на оптическом микроскопе Meтам PB–22. Рассматриваемая микроструктура состоит из 2-х фаз, где светлой фазой является феррит, а темной — мартенсит. Использовалась программа ImageJ, адаптированная под различные форматы электронно-микроскопических и металлографических изображений и позволяющая получить широкий набор геометрических характеристик поверхности.
Результаты исследования. Исследование с использованием программного обеспечения ImageJ микроструктуры стального феррито-мартенситного композита выявило характерную строчечную структуру, состоящую из светлой фазы (феррита) и темной фазы (мартенсита). Обработка изображений, включая масштабирование и сегментацию, привела к преобразованию в черно-белый формат, что позволило четко визуализировать границы между фазами и геометрические формы частиц. Четырехпараметрическая калибровочная функция Родбарда обеспечила дополнительные данные о площади, стандартном отклонении, асимметрии и эксцессе, что затрудняет анализ структуры. В результате отмечено 40,8 % площади, занятый ферритом, и 59,2 % — мартенситом. Профиль поверхности показывает чередование слоев из разориентированных кристаллов, а количественная информация позволила создать четкое 3D-изображение поверхности композита.
Обсуждение. Измеряемая в пикселях толщина границ зерен оказывается тоньше, чем в других графических редакторах, за счёт чего изменяется площадь и соответственно количество светлой фазы. Изменение количественного соотношения фаз «феррит-мартенсит» связано с тем, что в программе подавляется «шум» изображения и нераспознанная серая фаза прочитывается более чётко: часть её относится к светлой фазе, и часть — к тёмной.
В условиях современных технологий и высоких требований к прочности и износостойкости, понимание микроструктуры становится ключевым для оптимизации свойств материалов. Выбор подходящих методов визуализации, таких как применение программного обеспечения ImageJ, не только позволяет получить точные данные о распределении фаз, но также способствует более глубокому анализу механических свойств, таких как твердость и устойчивость к коррозии. Эти аспекты важны в контексте роста инновационных технологий, где надежность и долговечность материалов играют центральную роль.
Заключение. Применение программного комплекса ImageJ для визуализации в 2D и 3D графике и качественного и количественного анализа морфологии поверхности гетерогенных структурных состояний материалов является удобным, эффективным и информативным способом получения геометрических характеристик частиц структурных составляющих. Также возможно проведения картирования формы и размеров частиц. Автоматизация процесса приводит к экономии затрат времени и ресурсов, минимизирует влияние субъективных факторов на результат на разных этапах проведения анализа. Идентификация 3D-структуры поверхности композита помогает углубить знания о его эксплуатационных характеристиках, что крайне актуально в условиях современных технологических требований. Это понимание позволяет разрабатывать новые материалы, улучшать их характеристики, такие как прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии, а также предсказывать, как материалы будут вести себя в реальных условиях.
Introduction. Modern materials require a deep understanding of their structure in order to predict their performance properties. However, the use of various imaging techniques and programs, such as optical and electron microscopy, is limited to two-dimensional images, making it difficult to fully analyze the morphology of materials. Despite research in this field, there is still a lack of knowledge about the three-dimensional organization of materials, leading to gaps in our understanding of how geometry affects the physical properties of composite materials. ImageJ was chosen for this study due to its versatility and ability to support multiple formats, simplifying the process of analysis. It also offers powerful tools for automated processing and allows users to extract three-dimensional information from two-dimensional images. This is crucial for accurately identifying structural components. The current study aims to fill in the missing information by analyzing the morphology of a steel ferrite-martensite composite. The aim of the work is to determine the 3D surface structure of the composite, which will improve understanding of its performance characteristics and confirm the significance of selecting appropriate visualization techniques.
Materials and Methods. An image of the microstructure of a steel natural ferrite-martensitic composite (NFMC), obtained using a Metam PB–22 optical microscope, was chosen as the starting material for analysis. The microstructure in question consists of two phases: the light phase being ferrite and the dark phase being martensite. The ImageJ program, which has been adapted to various formats of electron microscopic and metallographic images, was used to obtain a wide range of geometric characteristics of the surface.
Results. A study using ImageJ software on the microstructure of a steel ferrite-martensitic composite revealed a characteristic lineage structure consisting of a light phase (ferrite) and a dark phase (martensite). Image processing, including scaling and segmentation, led to the conversion to black and white format, allowing for clear visualization of the boundaries between the phases and the geometric shapes of the particles. The four-parameter Rodbard calibration function provided additional data on area, standard deviation, skewness, and kurtosis, making it difficult to analyze the structure. As a result, ferrite occupied 40.8% of the area, while martensite occupied 59.2%. The surface profile revealed an alternating pattern of misoriented crystals, and the quantitative information allowed for the creation of a clear 3D image of the composite surface.
Discussion. The thickness of grain boundaries in pixels was found to be thinner in this graphic editor than in others, which affected the area and, consequently, the amount of light phase. The change in the quantitative ratio of ferrite-martensite phases was due to the program's ability to suppress image “noise” and more clearly read the unrecognized gray phase, with some of it belonging to the light phase and some to the dark phase.
With the advancement of technology and the increasing demands for strength and wear resistance, understanding the microstructure of materials has become crucial for optimizing their properties. The selection of appropriate imaging techniques, such as the use of ImageJ software, not only allows for accurate data on phase distribution, but also contributes to a more in-depth analysis of mechanical properties such as hardness and corrosion resistance. These aspects are important in the context of the development of innovative technologies where reliability and durability are essential factors.
Conclusion. The use of the ImageJ software package for visualization in 2D and 3D graphics and qualitative and quantitative analysis of the surface morphology of heterogeneous structural states of materials is a convenient, effective and informative way to obtain geometric characteristics of particles of structural components. It is also possible to map the shape and size of particles. Automation of this process leads to time and resource savings, minimizing the influence of subjective factors on results at different stages of analysis. Identification of the 3D surface structure of composites helps to deepen our understanding of their operational characteristics, which is crucial in the context of modern technological demands. This knowledge allows us to develop new materials with improved properties such as strength, wear and corrosion resistance. Furthermore, it enables us to predict how materials will perform in actual conditions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.