Recursos
Notas de aplicação
Voltar para Recursos

Análise granulométrica em metais e ligas


Análise granulométrica em metais e ligas

Cenário

No laboratório de metalografia, a análise de grãos em metais e em amostras de ligas, como alumínio ou aço, é importante para o controle da qualidade. A maioria dos metais é de natureza cristalina e possui perímetros internos, conhecidos como “perímetros de grão”. Quando um metal ou liga é processado, os átomos de cada grão são alinhados em um padrão específico, dependendo da estrutura do cristal da amostra. Com o crescimento, os grãos acabam colidindo uns com os outros e formam uma interface em que as orientações atômicas são diferentes. Foi estabelecido que as propriedades mecânicas da amostra melhoram à medida que o tamanho do grão diminui. Portanto, a composição e o processamento da liga devem ser cuidadosamente controlados para obter o tamanho de grão desejado.

Depois da preparação da amostra metalográfica, os grãos de uma liga específica são frequentemente analisados por microscopia em que o tamanho e a distribuição dos grãos podem demonstrar a integridade e a qualidade da amostra.

Por exemplo, como a vida humana está em jogo, os fabricantes de automóveis examinam o tamanho e a distribuição dos grãos em uma determinada liga para definir se um componente automotivo recém-projetado resistirá em circunstâncias extremas. Os fabricantes de componentes aeroespaciais prestam muita atenção às características dos grãos dos componentes de alumínio usados no trem de pouso de uma aeronave comercial. Além de analisar o tamanho dos grãos e as tendências de distribuição, os inspetores podem ser solicitados, devido aos rigorosos procedimentos internos de controle de qualidade, a documentar em detalhes os resultados e arquivá-los para futura referência.

Imagem de grãos em aço com ampliação de 100X
Imagem de grãos em aço com ampliação de 100X

Desafio

Embora existam vários padrões internacionais, o ASTM E112 é o padrão dominante pelo qual os grãos são analisados nas Américas do Norte e do Sul. Os laboratório de controle de qualidade usaram e continuam a usar o método de comparação de gráficos ASTM para análise de grãos. Com esse método, os operadores realizam uma aferição visual do tamanho do grão e comparam com a imagem exibida em tempo real sob um microscópio óptico com um gráfico de micrografia, geralmente colocado na parede próxima ao microscópio.

Ou, em vez de comparar com o gráfico de micrografia, o operador insere uma retícula de ocular que contém imagens com os padrões de tamanhos de grãos predefinidos diretamente no caminho óptico do microscópio. Dessa forma, a comparação é realizada diretamente no microscópio, onde o operador pode ver tanto a amostra em questão quanto a imagem “dourada” simultaneamente.

Como o tamanho do grão é estimado pelo operador, esses métodos podem produzir resultados imprecisos e não repetíveis, e não são reproduzíveis por operadores diferentes. Além disso, os técnicos de controle de qualidade são obrigados a inserir manualmente seus resultados em softwares de planilha ou relatório, sendo essa mais uma ocasião para inserir erros.

Como um laboratório de controle de qualidade pode implementar uma solução completa e análise automatizada de grãos, ajudando a eliminar potenciais imprecisões e subjetividades introduzidas por fatores humanos, e ao mesmo tempo atender às normas ASTM E112 e outras normas internacionais? Além do mais, como os dados podem ser arquivados e gerados automaticamente, economizando tempo valioso e reduzindo custos?

Exemplo de um retículo da ocular do microscópio usado para comparar o grão com uma imagem em tempo real
Exemplo de um retículo da ocular do microscópio usado para comparar o grão com uma imagem em tempo real

Solução

Entre no moderno laboratório digital de controle de qualidade de metalurgia. Graças aos avanços no software exclusivo de microscopia de ciência de materiais, os operadores podem aproveitar a análise de imagens para analisar grãos em conformidade com a norma ASTM E112, assim como uma grande quantidade de outras normas internacionais.

Uma solução comum que executa isso é conhecida como método de “intercepção”. Aqui, um padrão (círculos, cruzes e círculos, linhas, etc.) é sobreposto na imagem digital (em tempo real ou capturada). Cada vez que o padrão sobreposto atravessa um perímetro do grão, uma intercepção é desenhada na imagem e registrada (veja um exemplo das marcações na imagem à direita). Levando em consideração a calibração do sistema, o software de análise de imagem calcula automaticamente a ASTM G, ou o tamanho do grão, o número e o comprimento médio de intercepção como uma função da contagem de intercepção e comprimento padrão.


Análise de grãos com o método de intercepção
Análise de grãos com o método de intercepção

Outro método popular para calcular o tamanho do grão no laboratório digital de metalurgia é conhecido como método “planimétrico”. Ao contrário do método de intercepção, o método planimétrico determina o tamanho do grão em uma imagem (em tempo real ou capturada) calculando a quantidade de grãos por unidade de área.


Análise de grãos com o método planimétrico
Análise de grãos com o método planimétrico

Como os resultados são calculados internamente no software de análise de imagens, o trabalho de previsão atribuído ao elemento humano é removido. Em muitos casos, a precisão e a repetibilidade geral, assim como a reprodutibilidade, melhoram. Além disso, o software de análise de imagem específico para metalurgia pode ser configurado para arquivar automaticamente os resultados de grãos em uma planilha ou banco de dados integrado (opcional).

Relatórios que contêm dados de análise e imagens associadas também podem ser gerados apertando apenas um botão, todos exigem pouco tempo de formação.


Resultados de uma análise ASTM E112
Resultados de uma análise ASTM E112

Configuração

Uma configuração típica de equipamento para análise de grãos por meio de análise de imagem digital consiste em:

Microscópio metalúrgico invertido:

É preferível a utilização de um microscópio invertido em vez de um modelo vertical, porque a amostra plana e polida fica fixa na platina mecânica, assegurando um foco consistente à medida que o usuário manobra a platina de varredura.

Software específico para análise de imagem de ciência de materiais:

O software de análise de imagem dedicado a microscópios de ciência de materiais oferece módulos adicionais opcionais que permitem que os usuários analisem grãos em conformidade com a ASTM E112, assim como muitos outros padrões internacionais. No momento da compra, o usuário deve indicar qual dos métodos é o mais apropriado, intercepção ou planimétrico.


Configuração típica do equipamento: microscópio metalúrgico invertido, lente objetiva 10X e câmera de alta resolução para microscópio

Configuração típica do equipamento: microscópio metalúrgico invertido, lente objetiva 10X e câmera de alta resolução para microscópio

Configuração típica do equipamento: microscópio metalúrgico invertido, lente objetiva 10X e câmera de alta resolução para microscópio


Configuração típica do equipamento: microscópio metalúrgico invertido, lente objetiva 10X e câmera de alta resolução para microscópio

Lentes objetivas metalúrgicas 10X:

Essa é a ampliação da objetiva necessária para a análise de grãos.

Câmera para microscópio digital CMOS ou CCD de alta resolução:

Ao considerar uma câmera digital para análise de grãos, você deve priorizar a resolução digital sobre o tamanho do píxel ou densidade de píxeis resultantes. Para garantir que existam píxeis suficientes para exibir e reconstruir digitalmente os mínimos detalhes, muitos microscopistas utilizam o “teorema de Nyquist”, que afirma que são necessários de 2 a 3 píxeis para obter o menor dos detalhes, ou resolução óptica. Considerando que a análise de grãos é realizada com uma lente objetiva de 10X (acoplada a 10 oculares equivale a ampliação total de 100X), a resolução óptica de uma lente objetiva de grau médio típica seria de aproximadamente 1,1 μm. Isso significa que o tamanho real e calibrado do píxel deve ser menor que 366 nm (fornecendo os 3 píxeis necessários por menor característica distinguível). Por exemplo, uma câmera de cinco megapíxeis com tamanho de píxel de 3,45 μm produz um píxel calibrado de 345 nm (dividindo o tamanho real do píxel pela objetiva de 10X com um adaptador de câmera d 1X). Dividir a resolução da lente (1,1 μm) pelo tamanho do píxel calibrado (345 nm) é igual a 3,2. Nesse exemplo, 3,2 píxeis estão presentes para testar a menor característica distinguível, atendendo aos critérios de Nyquist de 2 a 3 píxeis por característica distinta. Embora isso possa parecer confuso, uma regra geral é que as câmeras para microscópio específicas para microscopia de ciência de materiais mais comuns com classificação de 3 megapíxeis ou superior (considerando o tamanho do píxel dos sensores CCD e CMOS mais comuns) é recomendada para análise de grãos.

Como a análise de tamanho de grão pode ser executada de maneira confiável no modo de escala de cinza (em que a configuração dos parâmetros de perímetro é mais simples do que no modo colorido), a câmera escolhida deve ter a opção de modo de escala de cinza. Além disso, escolher uma câmera que possui taxa de atualização rápida no modo de tempo real será vantajosa quando você estiver focando ou posicionando uma amostra.

Recomenda-se um porta-objetiva manual codificado ou motorizado. O software de análise de imagem escolhido deve ser capaz de ler automaticamente a ampliação da lente objetiva em todos os momentos. Isso garante o mais alto nível de precisão de medição, pois o reconhecimento automático elimina o risco de inserção de ampliação incorreta manualmente da lente no software.

A platina de rastreamento de varredura XY, manual ou motorizada, é necessária para manipular a amostra e posicionar a área de interesse para observação e análise.

O computador escolhido deve atender aos requisitos mínimos do sistema da câmera e do software de análise de imagem. Requer monitor de alta resolução.

Procedimento

  1. Selecione a lente objetiva de 10X e, em seguida, sob condições de luz brilhante refletida, manobre a amostra na platina XY para visualizar a área de interesse.
  2. Capture a imagem digital através do software de análise de imagem. Nota: Se a plataforma de software que você utiliza oferece o recurso de análise de imagem em tempo real, você poderá observar a imagem ao vivo.
  3. No software de análise de grãos, aplique os filtros necessários para assegurar que as intercepções sejam representadas com precisão na imagem. Em muitos pacotes de software, esse recurso é fornecido de forma interativa para que o operador possa visualizar os efeitos do filtro nas interceptações resultantes.
  4. O software analisa a imagem de acordo com o padrão escolhido. Os dados resultantes são registrados diretamente em uma planilha no software de análise de imagens.
  5. Não é incomum que a análise de grãos seja realizada em 5 campos aleatórios. Nesse caso, repita as etapas 1 a 4 cinco vezes consecutivas.
  6. Com base no modelo predefinido de um usuário, um relatório é gerado automaticamente, incorporando os resultados da análise, suportando imagens granuladas e dados relevantes.

Resultados de uma análise ASTM E112

Resumo

Diferentemente das técnicas manuais em que os operadores realizam avalizações visuais do tamanho do grão, ou número G, a olho nu, o software de análise de imagem específico para microscopia de ciência de materiais permite que o tamanho do grão seja calculado com precisão repetidamente, assim a intervenção humana é reduzida. Muitos pacotes de software são projetados para atender à norma ASTM E112 e uma ampla variedade de padrões internacionais, e podem ser implementados com o mínimo esforço. Indo um pouco além do escopo da análise, muitos programas de software oferecem o recurso de criação automática de relatórios com base nos dados de análise, podem fornecer até mesmo um banco de dados integrado para arquivamento e pesquisa, rápida e fácil, de imagens e dados relacionados. Ao considerar uma solução integral para análise automática de grãos, trabalhar diretamente com um fabricante experiente em microscopia específica para ciência de materiais é de extrema importância, pois eles podem ajudá-lo em todas as etapas do processo, desde a seleção do equipamento até a implantação.

Referências
Carmo Pelliciari, Dr. Eng., Consultor Metalúrgico
Padrão American Society for Testing and Materials (ASTM) E112-13
ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700,
West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA
“Committee E-4 and Grain Size Measurements: 75 years of progress.”
ASTM Standardization News, May, 1991, George Vander Voort

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

The MPLFLN-BD lens has semi apochromat color correction and is suitable for the widest range of applications. Especially designed for darkfield observation and the examination of scratches or etchings on polished surfaces.
The GX53 inverted microscope features exceptional image clarity and excellent resolution at high magnifications. With accessories including a coded revolving nosepiece and software, the microscope's modular design makes it easy to customize for your requirements.
OLYMPUS Stream image analysis software offers fast, efficient inspection workflows for all process steps for image acquisition, quantitative measurements and image analysis, reporting, and advanced materials science inspections tasks.
Sorry, this page is not available in your country
Let us know what you're looking for by filling out the form below.

Este site utiliza cookies para melhorar o desempenho, analisar o tráfego e para e verificar os anúncios. Se você não alterar as configurações da web, este site continuará a utilizar os cookies. Para obter mais informações sobre a utilização dos cookies neste site e como restringir sua utilização, consulte nossa Política sobre cookies.

OK