Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером
Ідентифіковано та кількісно проаналізовано цифрові зображення впорядкованого рельєфу на поверхні сталі 15Х13МФ, обробленої потужним лазерним імпульсом. Стан поверхні оцінено після опромінення в різних середовищах. Встановлено, що рельєф, сформований на поверхні модифікованого матеріалу, має ознаки х...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Дата: | 2013 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2013
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134150 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, В.С. Мочарський, А.П. Сорочак, Б.І. Рабик // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134150 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Мочарський, В.С. Сорочак, А.П. Рабик, Б.І. 2018-06-12T15:37:23Z 2018-06-12T15:37:23Z 2013 Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, В.С. Мочарський, А.П. Сорочак, Б.І. Рабик // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134150 Ідентифіковано та кількісно проаналізовано цифрові зображення впорядкованого рельєфу на поверхні сталі 15Х13МФ, обробленої потужним лазерним імпульсом. Стан поверхні оцінено після опромінення в різних середовищах. Встановлено, що рельєф, сформований на поверхні модифікованого матеріалу, має ознаки хвилястої структури, для якої визначено певні інтегральні параметри зображення. Идентифицированы и проанализированы цифровые изображения упорядоченного рельефа, сформированного на поверхности стали 15Х13МФ после обработки мощным лазерным импульсом. Проведена оценка состояния поверхности по результатам рассмотрения различных схем облучения материала. Установлено, что волновым структурам, сформированным на поверхности модифицированного материала, соответствуют определенные значения интегральных параметров изображения. The identification and quantitative analysis of the ordered relief formed on the 15Х13МФ steel surface after the steel treatment by powerful laser pulse according to the digital images was done. It was established that surface conditions were assessed by the analysis of different schemes of material irradiation. It was established that the wave structures formed on the surface of the modified material correspond to the values of the image integral parameters. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером Компьютерный анализ морфологии упорядоченного рельефа поверхности стали 15Х13МФ после импульсной обработки лазером Computer analysis of surface morphology of 15Х13МФ steel after laser pulse treatment Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером |
| spellingShingle |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Мочарський, В.С. Сорочак, А.П. Рабик, Б.І. |
| title_short |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером |
| title_full |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером |
| title_fullStr |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером |
| title_full_unstemmed |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером |
| title_sort |
комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13мф після імпульсного оброблення лазером |
| author |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Мочарський, В.С. Сорочак, А.П. Рабик, Б.І. |
| author_facet |
Марущак, П.О. Коноваленко, І.В. Мочарський, В.С. Сорочак, А.П. Рабик, Б.І. |
| publishDate |
2013 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Компьютерный анализ морфологии упорядоченного рельефа поверхности стали 15Х13МФ после импульсной обработки лазером Computer analysis of surface morphology of 15Х13МФ steel after laser pulse treatment |
| description |
Ідентифіковано та кількісно проаналізовано цифрові зображення впорядкованого рельєфу на поверхні сталі 15Х13МФ, обробленої потужним лазерним імпульсом. Стан поверхні оцінено після опромінення в різних середовищах. Встановлено, що рельєф, сформований на поверхні модифікованого матеріалу, має ознаки хвилястої структури, для якої визначено певні інтегральні параметри зображення.
Идентифицированы и проанализированы цифровые изображения упорядоченного рельефа, сформированного на поверхности стали 15Х13МФ после обработки мощным лазерным импульсом. Проведена оценка состояния поверхности по результатам рассмотрения различных схем облучения материала. Установлено, что волновым структурам, сформированным на поверхности модифицированного материала, соответствуют определенные значения интегральных параметров изображения.
The identification and quantitative analysis of the ordered relief formed on the 15Х13МФ steel surface after the steel treatment by powerful laser pulse according to the digital images was done. It was established that surface conditions were assessed by the analysis of different schemes of material irradiation. It was established that the wave structures formed on the surface of the modified material correspond to the values of the image integral parameters.
|
| issn |
0430-6252 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134150 |
| citation_txt |
Комп’ютерний аналіз морфології впорядкованого рельєфу поверхні сталі 15х13МФ після імпульсного оброблення лазером / П.О. Марущак, І.В. Коноваленко, В.С. Мочарський, А.П. Сорочак, Б.І. Рабик // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2013. — Т. 49, № 6. — С. 79-86. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. |
| work_keys_str_mv |
AT maruŝakpo kompûterniianalízmorfologíívporâdkovanogorelʹêfupoverhnístalí15h13mfpíslâímpulʹsnogoobroblennâlazerom AT konovalenkoív kompûterniianalízmorfologíívporâdkovanogorelʹêfupoverhnístalí15h13mfpíslâímpulʹsnogoobroblennâlazerom AT močarsʹkiivs kompûterniianalízmorfologíívporâdkovanogorelʹêfupoverhnístalí15h13mfpíslâímpulʹsnogoobroblennâlazerom AT soročakap kompûterniianalízmorfologíívporâdkovanogorelʹêfupoverhnístalí15h13mfpíslâímpulʹsnogoobroblennâlazerom AT rabikbí kompûterniianalízmorfologíívporâdkovanogorelʹêfupoverhnístalí15h13mfpíslâímpulʹsnogoobroblennâlazerom AT maruŝakpo kompʹûternyianalizmorfologiiuporâdočennogorelʹefapoverhnostistali15h13mfposleimpulʹsnoiobrabotkilazerom AT konovalenkoív kompʹûternyianalizmorfologiiuporâdočennogorelʹefapoverhnostistali15h13mfposleimpulʹsnoiobrabotkilazerom AT močarsʹkiivs kompʹûternyianalizmorfologiiuporâdočennogorelʹefapoverhnostistali15h13mfposleimpulʹsnoiobrabotkilazerom AT soročakap kompʹûternyianalizmorfologiiuporâdočennogorelʹefapoverhnostistali15h13mfposleimpulʹsnoiobrabotkilazerom AT rabikbí kompʹûternyianalizmorfologiiuporâdočennogorelʹefapoverhnostistali15h13mfposleimpulʹsnoiobrabotkilazerom AT maruŝakpo computeranalysisofsurfacemorphologyof15h13mfsteelafterlaserpulsetreatment AT konovalenkoív computeranalysisofsurfacemorphologyof15h13mfsteelafterlaserpulsetreatment AT močarsʹkiivs computeranalysisofsurfacemorphologyof15h13mfsteelafterlaserpulsetreatment AT soročakap computeranalysisofsurfacemorphologyof15h13mfsteelafterlaserpulsetreatment AT rabikbí computeranalysisofsurfacemorphologyof15h13mfsteelafterlaserpulsetreatment |
| first_indexed |
2025-11-25T20:40:28Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:40:28Z |
| _version_ |
1850526515578535936 |
| fulltext |
79
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2013. – ¹ 6. – Physicochemical Mechanics of Materials
КОМП’ЮТЕРНИЙ АНАЛІЗ МОРФОЛОГІЇ ВПОРЯДКОВАНОГО
РЕЛЬЄФУ ПОВЕРХНІ СТАЛІ 15Х13МФ
ПІСЛЯ ІМПУЛЬСНОГО ОБРОБЛЕННЯ ЛАЗЕРОМ
П. О. МАРУЩАК 1, І. В. КОНОВАЛЕНКО 1, В. С. МОЧАРСЬКИЙ 1,
А. П. СОРОЧАК 1, Б. І. РАБИК 2
1 Тернопільський національний технічний університет ім. Івана Пулюя;
2 Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів
Ідентифіковано та кількісно проаналізовано цифрові зображення впорядкованого
рельєфу на поверхні сталі 15Х13МФ, обробленої потужним лазерним імпульсом.
Стан поверхні оцінено після опромінення в різних середовищах. Встановлено, що
рельєф, сформований на поверхні модифікованого матеріалу, має ознаки хвилястої
структури, для якої визначено певні інтегральні параметри зображення.
Ключові слова: імпульсне лазерне оброблення, кількісний аналіз морфології поверх-
ні, параметри рельєфу.
Поверхневий шар матеріалу розглядають як особливу деформаційну підсис-
тему з інтенсивними зсувними та ротаційними переміщеннями, які зумовлюють
виникнення у цьому шарі нелінійних хвильових процесів з утворенням регуляр-
ного або впорядкованого рельєфу [1]. Саме це вважають передумовою модифіку-
вання поверхневих шарів матеріалів та нанесення на них захисних покривів [1, 2].
Деформаційні процеси у системі основа–покрив мають складний та неодно-
рідний характер. Основні закономірності формування рельєфу за “шахового”
розподілу розтягувальних та стискальних напружень на поверхні циклічно де-
формованого матеріалу проаналізовано в працях [3, 4]. Відомі результати розра-
хунків нормальних та дотичних напружень вздовж площини поверхневий шар–
основа [5], які показали періодичний характер розподілу обох напружень на межі
поділу середовищ з різними модулями пружності чи коефіцієнтами термічного
розширення. На основі аналізу умов імпульсного лазерного оброблення та відо-
мих методів оцінювання рельєфу поверхневих шарів низки матеріалів запропо-
новані підходи для кількісного оцінювання параметрів рельєфу з хвилястими
структурами на модифікованій поверхні [6]. Технологічна складність, недостатня
точність і надійність відомих інструментальних методів визначення стану по-
верхні обмежують їх практичне використання [7].
Кількісне оцінювання параметрів впорядкованого рельєфу на поверхні дасть
змогу не лише передбачати місце і момент виникнення тріщини, але й виявляти
фізичні передумови її зародження. На етапі розроблення технології модифікуван-
ня поверхні матеріалу таке прогнозування суттєво зменшує вартість натурних ви-
проб і скорочує їх тривалість, а під час експлуатації – підвищує надійність конст-
руктивних елементів [8]. Важливо також з’ясувати закономірності впливу інтен-
сивності лазерного імпульсного оброблення на характеристики сформованого на
поверхні сталі впорядкованого рельєфу [9].
Мета роботи – оцінити інтегральні параметри рельєфу поверхні сталі
15Х13МФ після її імпульсного оброблення лазером на основі комп’ютерного
аналізу цифрових зображень.
Контактна особа: П. О. МАРУЩАК, e-mail: Maruschak.tu.edu@gmail.com
80
Методика досліджень. Поверхню плоских зразків (10×5×3 mm) зі сталі
15Х13МФ обробляли на повітрі, у воді та чорнилі лазером ГОС-1001 з LiF затво-
ром в імпульсному режимі модульованої добротності з коротким імпульсом ви-
промінювання (зазвичай становить десятки наносекунд). Діапазон зміни густини
потоку випромінювання 5·108...2·109 W/sm2, а діаметр зони оброблення 3 mm.
Прозоре конденсоване середовище обмежило розширення плазми і підвищило
амплітуду імпульсу тиску Р = 2 GPa [10]. Рельєф поверхонь оброблених зразків
досліджували і фіксували на інтерференційному профілометрі “Мікрон-альфа”.
Цифрові зображення рельєфу поверхні зразків після лазерного імпульсного
оброблення та їх бінаризовані зображення наведені на рис. 1.
Рис. 1. Вихідні (а–с) та бінаризовані (d–f) зображення впорядкованих структур
на поверхні сталі 15Х13МФ після лазерного імпульсного оброблення
на повітрі (a, d), у воді (b, e) і чорнилі (c, f).
Fig. 1. Original (a–c) and binarized (d–f) images of the ordered structures on the surface
of 15Х13МФ steel after laser pulse treatment in air (a, d), in water (b, e) and in ink (c, f).
Фізико-механічні передумови діагностування стану поверхні. Методика
досліджень морфології поверхні матеріалу ґрунтується на підходах фізичної ме-
зомеханіки, де поверхня є складноорганізованою системою складників, виділе-
них на різних масштабних рівнях [1]. Під морфологією рельєфу поверхні розумі-
ли її будову та параметри рельєфу. Стан поверхні аналізували на кількох мас-
штабних рівнях. Зокрема, на мікрорівні рельєф на поверхні матеріалу формується
внаслідок зародження, руху, анігіляції дислокацій тощо, на мезорівні – внаслідок
кооперативних процесів пластичного деформування та самоорганізації, а на мак-
рорівні – внаслідок локалізації деформації на макроскопічному рівні, сумірному з
розмірами самого об’єкта [1, 9]. Інформативні ознаки рельєфу поверхні дослідже-
них зразків узагальнено у табл. 1.
Алгоритм ідентифікації інформативних ознак рельєфу поверхні. Запро-
поновано алгоритм комп’ютерного визначення параметрів рельєфу поверхні.
Стан поверхні оцінювали шляхом аналізу її цифрових зображень після лазерного
імпульсного оброблення. Алгоритмом розпізнавання інформативних елементів
рельєфу на цифровому зображенні поверхні зразка передбачено операції фільтру-
вання, бінаризації та виділення інформативних ознак для визначення параметрів
поверхні [11]. Вихідні кольорові зображення (рис. 1a–c) перетворювали у “сірі” з
функцією яскравості I за принципом, прийнятим у стандарті телебачення NTSC [12].
Для кожної точки зображення розраховували абсолютне значення горизонталь-
ного та вертикального градієнтів яскравості з використанням оператора Собела:
( , )( , )h
I i jI i j
j
∂
∇ =
∂
, ( , )( , )v
I i jI i j
i
∂
∇ =
∂
, (1)
81
де i, j – відповідно індекси стовпчиків (i∈[1...n]) та рядків (j∈[1…m]) на зобра-
женні з яскравістю I.
Таблиця 1. Схематичне подання рельєфу поверхні досліджених зразків
на різних масштабних рівнях та його інформативні ознаки
Рельєф поверхні
Схематичне подання Масштабний рівень Інформативні ознаки
Макрорівень Градієнт кольору
поверхні
Мезорівень
Просторова структура
рельєфу у вигляді
впорядкованої системи
виступів та западин
Мікрорівень
Усереднений параметр
елементарної ознаки
рельєфу
Для загальної оцінки стану досліджуваної поверхні використали середні зна-
чення горизонтального та вертикального градієнтів яскравості зображення:
0 0
1 ( , )
m n
h h hG I I i j didj
mn
= ∇ = ∇∫ ∫ ,
0 0
1 ( , )
m n
v v vG I I i j didj
mn
= ∇ = ∇∫ ∫ . (2)
Ці градієнти дають змогу оцінити переважний напрям формування хвиляс-
тих структур на досліджуваній поверхні та ступінь їх неоднорідності [10]. Нижче
середнє значення градієнта свідчить про незначну зміну інтенсивності вздовж об-
раної лінії на зображенні. Практично це означає, що в певному напрямі структура
рельєфу поверхні є одноріднішою [13]. Цей напрям вказує на вісь координат, яка
відповідає напряму найбільшої модифікації поверхні.
Щоб виділити інформативні ознаки, які пов’язані з модифікуванням поверх-
ні, до отриманого зображення у градаціях сірого кольору застосували бінарне пе-
ретворення [14]. В результаті цього отримали чорно-біле зображення модифіко-
ваної поверхні з функцією інтенсивності IB, на якому білі пікселі відповідали фо-
ну, а чорні – інформативним елементам впорядкованих структур (рис. 1d–f).
Найуживанішим інформативним параметром, який дає змогу оцінити сту-
пінь модифікації поверхні на основі її зображення, є відносна площа, яка відпові-
дає певним інформативним морфологічним ознакам [15]:
100%d
SS
m n
= ⋅
⋅
, (3)
де S – кількість пікселів, що відповідають впорядкованим елементам рельєфу по-
верхні на зображенні IB; m та n – відповідно ширина та висота цього зображення.
Розподіл впорядкованих елементів рельєфу вздовж осей зображення опису-
ють вертикальна Hv і горизонтальна Hh гістограми [11]:
{ }( ); [1... ]h hH H i i n= ∈ , { }( ); [1... ]v vH H j i m= ∈ , (4)
де
1
( ) ( , )
m
h
j
H i I i j
=
= ∑ ,
1
( ) ( , )
n
v
i
H j I i j
=
= ∑ .
Кожен елемент гістограм містить кількість пікселів, що відповідають кілько-
сті впорядкованих елементів рельєфу у відповідних стовпчиках та рядках аналізо-
82
ваного зображення. Функції гістограм (4) містять базовий масив інформації про
розподіл впорядкованих елементів рельєфу вздовж координатних осей зображення.
Для узагальненої оцінки пошкоджень поверхні використали середні значен-
ня гістограм /v S mµ = та /h S nµ = (де S – загальна кількість пікселів). Проте ці
параметри доцільні під час великих об’ємів вимірювань за однакових умов та не-
змінного прямокутного вікна спостереження. В лабораторних умовах для дослі-
дження різних зразків, особливо за різних умов формування рельєфу на поверхні,
середні значення гістограм малоінформативні. Крім того, за використання прямо-
кутного вікна спостереження значення µv та µh по-різному масштабовані (віднос-
но розмірів зображення) і тому незручні для порівняння, а за квадратного вікна
вони стають однаковими.
За допомогою швидкого перетворення Фур’є функції гістограм (4) подали у
вигляді ряду:
0
1
( ) cos(2 )
Kh
h h hk h
k
kH i A A i
n=
≈ + π − ϑ∑ , 0
1
( ) cos(2 )
Kv
v v vk v
k
kH j A A j
m=
≈ + π − ϑ∑ , (5)
де Ah, Av та θh, θv – амплітуди та фази гармонік, відповідно; k – номер гармоніки.
Приймали таку кількість гармонік розкладу Kh, Kv, щоб точність подання
функції гістограми у вигляді суми гармонік була не нижчою за підібране емпі-
рично граничне значення ε, яке залежить від виду зображення:
0
( ) cos(2 )
Kh
h hk h
k
kH i A i
n=
− π −ϑ ≤ ε∑ ,
0
( ) cos(2 )
Kv
v vk v
k
kH j A j
m=
− π − ϑ ≤ ε∑ . (6)
Як інформативні параметри вибрали середні амплітуди гармонік спектра
функцій горизонтальної та вертикальної гістограм Aah, Aav:
0
1 Kh
ah hk
h k
A A
K =
= ∑ ,
0
1 Kv
av vk
v k
A A
K =
= ∑ . (7)
Середня амплітуда спектра дає можливість кількісно оцінити переважні на-
прями розташування інформативних елементів рельєфу поверхні. Що вищі її зна-
чення, то більша рельєфність модифікованої поверхні у цьому напрямі. Отже, по-
рівнюючи значення Aah, Aav, можна судити про переважний напрям формування
елементів рельєфу на модифікованій поверхні.
Пара узагальнених характеристик (середніх градієнтів Gh, Gv та амплітуд
спектра Aah, Aav) дає можливість отримати інтегральну характеристику аналізова-
ного зображення у двох взаємно перпендикулярних напрямах [15].
Інтегральні параметри елементів рельєфу на поверхні. За умов надшвид-
кої кристалізації металу в його поверхневих шарах можна відзначити два прин-
ципово відмінні механізми метастабільного стану матеріалу: зростання вільної
енергії матеріалу внаслідок збільшення енергії центрів кристалізації; утворення
пересиченого твердого розчину з виникненням напружень та локальних темпера-
турно-силових полів. Таким чином, відбувається багаторівнева фрагментація по-
верхні металу з формуванням рельєфу зі впорядкованою структурою, геометрич-
ні ознаки якої визначені умовами лазерного оброблення матеріалу [16, 17].
Правомірність застосування терміну “впорядкований рельєф” доведена ре-
зультатами досліджень оброблених поверхонь з використанням оптичної і елек-
тронної мікроскопії [1, 3]. Закономірності зміни обчислених інтегральних пара-
метрів впорядкованого рельєфу за імпульсного лазерного оброблення в різних
середовищах наведені на рис. 2. Рельєф на модифікованій поверхні виникає вна-
слідок швидкого охолодження металу, що спричиняє значну термодинамічну не-
стабільність поверхневого шару і забезпечує йому унікальні механічні властивос-
ті. Пластичне течіння металу у зоні обмеженої деформації поверхневого шару
83
має яскраво виражений хвильовий характер. При цьому метал у зоні оброблення
ділиться на окремі ділянки, роз’єднані зонами ламінарного плину різної інтен-
сивності. Адже відомо, що градієнт напружень зумовлює хвильовий характер по-
ширення пластичної деформації і пов’язаний з цим дискретний характер ділянок
релаксації і локалізації напружень, спричиняючи морфологічні зміни в металі [18].
З фізичної точки зору на поверхні металу формується прошарок, який має
вищі ніж в його об’ємі модуль пружності та мікротвердість (утворюється своє-
рідний “покрив”). При цьому рельєф поверхневого шару металу стає хвилястим з
утворенням “виступів” та “западин”. За результатами обробки зображення можна
отримати вертикальну Hv та горизонтальну Hh гістограми інтегральних інтенсив-
ностей бінарного зображення з впорядкованим рельєфом поверхні зразків [11].
Рис. 2. Горизонтальна Hh (а) і вертикальна Hv (b) гістограми інтегральних інтенсивностей
бінарних зображень впорядкованого рельєфу поверхонь зразків сталі 15Х13МФ
після їх лазерного імпульсного оброблення на повітрі (1), у воді (2) і чорнилі (3).
Fig. 2. Horizontal Hh (a) and vertical Hv (b) histograms of integrated intensities
of the binary images of the ordered surfaces relief for the specimens made of 15Х13МФ steel
after their laser pulse treatment in air (1), in water (2) and in ink (3).
Отже, вихідним базовим ма-
сивом даних служили гістограми
розподілу впорядкованих елемен-
тів рельєфу (рис. 2). На їх основі
оцінили морфологічні параметри
впорядкованих структур рельєфу
на поверхні зразків, оброблених
лазером (табл. 2).
Оброблення на повітрі. На
поверхні металу сформувався де-
формаційний рельєф з хвилепо-
дібною структурою розташуван-
ня виступів та западин (рис. 2а,
гістограма 1).
Оброблення у воді. Сформу-
вався дещо розорієнтований рельєф (рис. 2а, гістограма 2). Нижчий (порівняно з
горизонтальним) вертикальний градієнт рельєфу (рис. 2b) вказує на те, що вздовж
вертикальної осі формується однорідніша впорядкована структура рельєфу. Вод-
ночас у горизонтальному напрямі градієнт інтегральної інтенсивності бінарних
зображень впорядкованого рельєфу поверхонь зразків змінювався істотніше.
Нижчим градієнтам відповідають напрями, вздовж яких орієнтований рельєф по-
верхні. Монотонне зростання параметрів Gh, Gv підтверджує раніше зроблений
Таблиця 2. Морфологічні параметри
впорядкованих структур рельєфу
на поверхні зразків сталі 15Х13МФ
після їх оброблення лазером
у різних середовищах
Параметри впорядкованої
структури рельєфу Середовище
оброблення
Gh Gv Aah Aav
повітря 11286,4 8201,8 1,7 1,3
вода 3380,3 2610,3 0,5 0,5
чорнило 6783,0 5275,8 1,1 0,9
84
висновок [11] про повторюваність та масштабування сформованих деформацій-
ний структур.
Оброблення у чорнилі. Дещо іншу морфологію впорядкованого рельєфу (по-
рівняно з отриманою на повітрі) отримали за оброблення в чорнилі (рис. 2а, гіс-
тограма 3), що зумовлено тиском плазми. Крім того, вода та чорнило перерозпо-
діляють поглинальну здатність середовища. Форма деталей зі сформованим рель-
єфом пов’язана не лише з тепловим впливом розплаву у поверхневому шарі зраз-
ка, але з виникненням в ньому високого тиску внаслідок значних стискальних
напружень [19].
Двовимірна оцінка морфології рельєфу з впорядкованими структурами.
За імпульсного лазерного впливу на поверхневий шар металу в ньому виникає
двофазний стан (рідина на поверхні + тверда основа). Релаксація напружень у ме-
талі відбувається шляхом структурування поверхні, розвиток якого припиняється
за встановлення динамічної рівноваги між кристалічною та рідкою фазами. При
цьому виявили, що зміна середовища оброблення не змінює загальної тенденції
утворення рельєфу, проте змінює його параметри: висоту виступів та глибину
западин (рис. 3).
Рис. 3. Двовимірна оцінка морфології
рельєфу поверхні сталі 15Х13МФ після
її лазерного імпульсного оброблення
на повітрі (а), у воді (b) і чорнилі (c)
з використанням методу профілометрії.
Fig. 3. Two-dimensional assessment
of the surface relief morphology
of the 15Х13МФ steel after laser pulse
treatment in air (a), in water (b)
and in ink (c) using the current profilers.
Можна припустити, що неоднорідність на межі поділу системи поверхневий
шар–тверда основа є однією з причин формування впорядкованих структур на
поверхні. Завдяки мікрогетерогенності структури метал має певну неоднорід-
ність фізико-механічних властивостей, що під час лазерного оброблення спричи-
няє різні за інтенсивністю збурення, які залежать від розподілу напружень та де-
формацій на локальному рівні. Результуюче поле переміщень фіксується на
поверхні металу у вигляді періодичної системи деформаційних хвиль [20].
85
Розвинуті підходи да-
ють змогу аналізувати кіль-
кісні показники морфології
поверхневих шарів сталей
після лазерного оброблення.
Порівняння та можливості
розробленого та відомого
методів аналізу наведені у
табл. 3.
Метод оптико-цифро-
вого контролю виявився перспективним для оцінювання морфологічних особли-
востей обробленої лазером поверхні на мезо- і макрорівнях і може бути основою
для експрес-аналізу технічного стану поверхні конструкційних елементів. Проте
для достовірнішого оцінювання стану поверхні слід використовувати комплекс
методів дефектоскопії [21–23].
ВИСНОВКИ
Розроблено метод оцінювання морфологічних особливостей поверхні сталі
15Х13МФ після оброблення потужними лазерними імпульсами шляхом аналізу її
цифрових зображень та розрахунку множини інтегральних параметрів: відносних
площ модифікованої поверхні, середніх градієнтів яскравостей зображення та
амплітуд спектра функцій гістограм. Необхідною передумовою використання за-
пропонованого методу є достатній градієнт рельєфу модифікованої поверхні ме-
талу і візуалізація його ознак методами оптичної мікроскопії.
Методом двовимірної профілометрії встановлено параметри рельєфу оброб-
леної поверхні. Формування на поверхні впорядкованого деформаційного рельє-
фу пов’язали з термічним чинником від розплавленого поверхневого шару металу.
РЕЗЮМЕ. Идентифицированы и проанализированы цифровые изображения упоря-
доченного рельефа, сформированного на поверхности стали 15Х13МФ после обработки
мощным лазерным импульсом. Проведена оценка состояния поверхности по результатам
рассмотрения различных схем облучения материала. Установлено, что волновым структу-
рам, сформированным на поверхности модифицированного материала, соответствуют
определенные значения интегральных параметров изображения.
SUMMARY. The identification and quantitative analysis of the ordered relief formed on the
15Х13МФ steel surface after the steel treatment by powerful laser pulse according to the digital
images was done. It was established that surface conditions were assessed by the analysis of
different schemes of material irradiation. It was established that the wave structures formed on
the surface of the modified material correspond to the values of the image integral parameters.
1. Панин В. Е., Сергеев В. П., Панин А. В. Наноструктурирование поверхностных слоев
конструкционных материалов и нанесение наноструктурных покрытий. – Томск:
Изд-во Томского политех. ун-та, 2008. – 286 с.
2. Structural steels surface modification by mechanical pulse treatment for corrosion protection
and wear resistance / H. M. Nykyforchyn, V. I. Kyryliv, Dz. V. Slobodjan, Ju. M. Koval
// Surface and Coatings Technology. – 1998. – 100–101 (1–3). – P. 125–127.
3. Significant correlation between macroscopic and microscopic parameters for the description
of localized plastic flow auto-waves in deforming alloys / S. A. Barannikova, A. V. Ponoma-
reva, L. B. Zuev et al. // Solid State Communications. – 2012. – 9. – P. 784–787.
4. Panin V. E. Wave nature of plastic deformation in solids // Russian Physics J. – 1990. – 33,
№ 2. – P. 99–110.
5. The chess-board effect in the stress-strain distribution at interfaces of a loaded solid / V. E. Pa-
nin, A. V. Panin, D. D. Moiseenko et al. // Doklady Physics. – 2006. – 51, № 8. – P. 408–411.
6. Laser shock processing and its effects on microstructure and properties of metal alloys:
A review / C. S. Montross, T. Wei, L. Ye et al. // Int. J. of Fatigue. – 2002. – 24 (10).
– P. 1021–1036.
Таблиця 3. Підходи та можливість їх
використання для діагностування параметрів
морфології рельєфу обробленої поверхні
Підходи Мікро-
рівень
Мезо-
рівень
Макро-
рівень
Оптико-цифровий аналіз – + +
2D профілометрія + + –
86
7. Mesomechanics and hierarchical levels of fatigue crack growth in 25Cr1Mo1V steel
/ P. V. Yasniy, P. O. Maruschak, S. V. Panin, P. S. Lyubutin // Int. J. of Terraspace Sci. and
Engng. – 2011. – 3. – P. 169–175.
8. Self-organization of structure of heat resistant steels at dynamic non-equilibrium processes
/ N. G. Chausov, P. O. Maruschak, O. Pretkovskis et al. // Abstr. of the 9th Int. Conf. “Me-
chatronic Systems and Materials” (July 1–3). – Lithuania: Vilnius, 2013. – Р. 39.
9. Physical regularities in the cracking of nanocoatings and a method for an automated deter-
mination of the crack-network parameters / P. Maruschak, V. Gliha, I. Konovalenko et al.
// Materiali in Tehnologije. – 2012. – 46. – P. 525–529.
10. Morphology of periodical structures on surface of steel 15Kh13MF after the nanosecond la-
ser irradiation accompanied by generation of shock waves / P. O. Maruschak, V. S. Mochar-
skyi, I. M. Zakiev, Yu. M. Nikiforov // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Oxide Materials for
Electronic Engng (September 3–7). – Lviv, 2012. – P. 192–193.
11. A novel algorithm for damage analysis of fatigue sensor by surface deformation relief para-
meters / I. Konovalenko, P. Maruschak, A. Menou et al. // Proc. of the Int. Symposium
“Operational Research and Applications” (May 8–10). – Morocco: Marrakech. – 2013.
– Р. 678–684.
12. Марущак П. О., Коноваленко И. В. Измерение деформации материалов путем анализа
цифровых изображений поверхности // Заводская лаборатория. Диагностика материа-
лов. – 2010. – 76, № 6. – С. 55–61.
13. Influence of deformation process in material at multiple cracking and fragmentation of nano-
coating / P. O. Maruschak, S. V. Panin, S. R. Ignatovich et al. // Theoretical and Applied
Fracture Mechanics. – 2012. – 57. – P. 43–48.
14. Konovalenko I. V. and Marushchak P. O. Error analysis of an algorithm for identifying ther-
mal fatigue cracks // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2011. – 47.
– P. 360–367.
15. Автоматизований аналіз поверхневих тріщин у конструкційних елементах / П. В. Яс-
ній, П. О. Марущак, І. В. Коноваленко, Р. Т. Біщак // Фіз.-хім. механіка матеріалів.
– 2008. – 44, № 6. – С. 83–88.
(Yasnii Р. V., Marushchak Р. O., Konovalenko І. V., and Bishchak R. Т. Computer analysis
of surface cracks in structural elements // Materials Science. – 2008. – 44, № 6. – Р. 833–839.)
16. Experimental study of the surface of steel 15Kh13MF after the nanosecond laser shock pro-
cessing / P. Maruschak, I. Zakiev, V. Mocharsky, Y. Nikiforov // Solid State Phenomena.
– 2013. – 200. – P. 60–65.
17. Зміцнення поверхневого шару теплостійких сталей лазерною ударно-хвильовою об-
робкою / П. О. Марущак, Ю. М. Нікіфоров, Б. П. Ковалюк, В. Б. Гладьо // Вісник Схід-
ноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. – 2008. – № 7 (125). – С. 197–201.
18. Морфология поверхности стали после ударно-волновой лазерной обработки / П. О. Ма-
рущак, В. Б. Гладьо, Ю. Н. Никифоров и др. // Нанорозмірні системи. Будова, власти-
вості, технології: тези конференції НАНСИС-2007 (21–23 листопада). – K.: Ін-т мета-
лофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, 2007. – С. 267.
19. Lu W. Research on residual stress drops on material surface by laser shock processing // Ad-
vanced Materials Research. – 2012. – 460. – P. 420–423.
20. Марущак П. О., Сорочак А. П., Мочарский В. С. Фрактографический анализ поверхно-
сти и механизмов разрушения стали 15Х13МФ после лазерной ударно-волновой обра-
ботки // Вестник машиностроения. – 2013. – № 4. – С. 50–53.
21. Коноваленко И. В., Марущак П. О., Окипный И. Б. Автоматизированный анализ релье-
фа поверхности разрушения псевдостереоскопическим методом // Вестник машино-
строения. – 2013. – № 5. – С. 22–24.
22. Hassani A. and Ghasemzadeh Tehrani H. Crack detection and classification in asphalt pave-
ment using image processing // Pavement Cracking: Mechanisms, Modelling, Detection,
Testing and Case Histories. – 2008. – P. 891–896.
23. Марущак П. О., Коноваленко І. В. Вимірювання неоднорідних полів переміщень по-
верхні матеріалу та розкриття вершини тріщини за аналізом цифрових зображень
// Машинознавство. – 2008. – № 12. – C. 18–21.
Одержано 20.08.2012
|