Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами
Ідентифіковано та кількісно проаналізовано мережі тріщин у цирконієвому нанопокриві на основі оброблення цифрових зображень. Поведінку дефектів оцінено за результатами діагностування окремих етапів деформаційного процесу. Встановлено, що окремим стадіям руйнування покриву відповідають свої інтеграль...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2012
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139775 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами / І.В. Коноваленко, П.О. Марущак // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 4. — С. 80-. — Бібліогр.: 26 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860100313123389440 |
|---|---|
| author | Коноваленко, І.В. Марущак, П.О. |
| author_facet | Коноваленко, І.В. Марущак, П.О. |
| citation_txt | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами / І.В. Коноваленко, П.О. Марущак // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 4. — С. 80-. — Бібліогр.: 26 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| description | Ідентифіковано та кількісно проаналізовано мережі тріщин у цирконієвому нанопокриві на основі оброблення цифрових зображень. Поведінку дефектів оцінено за результатами діагностування окремих етапів деформаційного процесу. Встановлено, що окремим стадіям руйнування покриву відповідають свої інтегральні параметри зображення. На основі послідовної обробки даних поверхневого множинного розтріскування виявлено основні закономірності коалесценції окремих дефектів та фрагментації покриву. Встановлено, що множинні дефекти в матеріалі частково збільшують його деформаційні властивості, спричиняючи “поглинання” енергії пружно-пластичних деформацій прилеглих ділянок. Подано теоретичні передумови і експериментальні результати.
Проведена идентификация и количественный анализ сетки трещин в циркониевом нанопокрытии на основе обработки цифровых изображений поверхности. Поведение дефектов оценивали по результатам диагностики отдельных этапов деформационного процесса. Установлено, что отдельным стадиям разрушения покрытия соответствуют определенные интегральные параметры изображения. На основании последовательной обработки данных множественного поверхностного растрескивания выявлены основные закономерности коалесценции отдельных дефектов и фрагментации покрытия. Установлено, что множественные дефекты в материале увеличивают его деформационные свойства, вызывая “поглощение” энергии упруго-пластических деформаций прилегающих участков. Представлены теоретические предпосылки и экспериментальные результаты.
Identification of the quantitative analysis of crack network in the zirconium nanocoating based on the digital imaging surface processing are described. The behavior of the defects was assessed by the results of diagnostics of individual stages of the deformation process. The basic laws of coalescence of individual defects and fragmentation of the coating was analysed on the base on the serial processing of multiple cracking of the surface. The presence of multiple defects in the material increases its deformation properties, causing the energy “absorption” of elastic-plastic deformation of the surrounding areas. Theoretical background and experimental results are presented.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:28:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
80
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2012. – ¹ 4. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 670.191.33
АВТОМАТИЗОВАНИЙ АНАЛІЗ МНОЖИННОГО РОЗТРІСКУВАННЯ
НАНОПОКРИВУ ЗА ІНТЕГРАЛЬНИМИ ПАРАМЕТРАМИ
І. В. КОНОВАЛЕНКО, П. О. МАРУЩАК
Тернопільський національний технічний університет ім. Івана Пулюя
Ідентифіковано та кількісно проаналізовано мережі тріщин у цирконієвому нано-
покриві на основі оброблення цифрових зображень. Поведінку дефектів оцінено за
результатами діагностування окремих етапів деформаційного процесу. Встановлено,
що окремим стадіям руйнування покриву відповідають свої інтегральні параметри
зображення. На основі послідовної обробки даних поверхневого множинного роз-
тріскування виявлено основні закономірності коалесценції окремих дефектів та
фрагментації покриву. Встановлено, що множинні дефекти в матеріалі частково
збільшують його деформаційні властивості, спричиняючи “поглинання” енергії
пружно-пластичних деформацій прилеглих ділянок. Подано теоретичні передумови
і експериментальні результати.
Ключові слова: множинне розтріскування, аналіз зображення, ідентифікація трі-
щин, діагностування.
Множинні дефекти – один з найпоширеніших видів пошкодження матеріалів
та конструкцій. Їх ідентифікація та кількісний опис дають змогу прогнозувати тех-
нічний стан системи з урахуванням тріщиноподібних дефектів [1, 2]. На сьогодні
відомо низка підходів для оцінювання напружено-деформованого стану матеріа-
лів з сіткою тріщиноподібних дефектів із урахуванням їх форми та просторового
розташування [3, 4]. Проте, щоб описати взаємовплив дефектів та виявити резуль-
тати їх взаємодій під час деформування необхідні подальші дослідження [5].
Підходи фізичної мезомеханіки дали змогу розглянути деформаційні проце-
си на кількох структурно-ієрархічних рівнях, що достовірніше відображає будову
реальних фізико-механічних систем [6, 7]. Тобто застосування фізичних законо-
мірностей є підґрунтям структурного підходу, визначальною особливістю якого є
стадійність деформування з урахуванням зовнішніх та внутрішніх структурних
параметрів матеріалу [8, 9]. Проте для матеріалів з множинними тріщиноподіб-
ними дефектами використання цих підходів вимагає додаткового методичного
доопрацювання. Сучасні підходи до аналізу цілісності покривів ґрунтуються пе-
реважно на морфологічних особливостях множинних дефектів [9, 10]. При цьому
основною методичною перевагою є автоматичний опис та ідентифікація. Наслід-
ком цього є впорядкований масив даних про структурні складові або дефекти ма-
теріалу [11, 12]. Системність вказаного підходу полягає у спробі аналізу за двома
структуроутворювальними ознаками – розмірами структурних елементів і їх
просторовою орієнтацією.
Узагальнюючи опис деформаційних процесів у покриві, можна відзначити
такі закономірності [2, 13, 14]: зародження та активація тріщиноподібних розло-
мів відбувається за перевищення локальними напруженнями номінальних напру-
жень у матеріалі; старт тріщини в системі з кількома дефектами можливий за
умови локалізації деформацій у районі дефекту з найбільш енергетично вигідною
орієнтацією.
Контактна особа: П. О. МАРУЩАК, e-mail: maruschak.tu.edu@gmail.com
81
Мета роботи – оцінити закономірності множинного розтріскування цирконі-
євого покриву під час квазістатичного деформування, використовуючи методи
обробки зображень.
Метод нанесення покриву. Іонне наноструктурування поверхневого шару
зразків з сталі 25Х1М1Ф проводили за допомогою вакуумно-дугового джерела
металевих іонів на установці УВН-0,2 “Квант” [15]. Зразки обробляли за умови
досягнення вакууму в камері 3·10–3 Pa потоком іонів цирконія з енергією 0,9...
2,8 keV та густиною іонного струму 0,1...0,3 mА/sm2. Тривалість обробки від 5 до
20 min. Тримач зі зразками закріплювали безпосередньо на предметному столику,
що входив до схеми прискорення іонів. Іони прискорювались у динамічному са-
моорганізованому приповерхневому просторі, який є подвійним електричним ша-
ром, сформованим навколо поверхні зразка з від’ємним потенціалом [16]. Зразки
досліджували на малоциклову втому на випробувальній машині СТМ-100 за та-
ких параметрів навантажування: частота f = 1,0 Hz, σmax = 500 MPa, σmin = 0,1σmax.
Досягнувши певного циклічного напрацювання, зразки знімали з випробувальної
машини та досліджували поверхню за допомогою сканівного мікроскопа РЕМ-106И.
Класифікація виду поверхні розтріскування. Виділяють декілька етапів
множинного розтріскування, а саме: розпорошене розтріскування, яке виникає в
результаті зародження відокремлених поперечних та поздовжніх тріщин; об’єд-
нання тріщин з утворенням мережі внаслідок перетину окремих дефектів; блочне
розтріскування, що виникає внаслідок коалесценції низки об’єднаних тріщин, ут-
ворюючи повністю відокремлені блоки матеріалу, обмежені розвинутою мере-
жею дефектів, які формують великі замкнуті контури прямокутної форми. Аліга-
торські тріщини – це мережа об’єднаних тріщин, що мають спільні точки перети-
ну та формують мережу багатокутників [9]. Схематизацію тріщин за їх напрямом
та загальним малюнком ілюструє рис. 1.
Щоб автоматизувати класифікацію трі-
щин, використали метод аналізу зображень.
Вихідне багатоградаційне фотозображення до-
слідного зразка обробляють відповідно до
алгоритму пошуку та розпізнавання пошко-
джених фрагментів. В результаті отримано бі-
нарне зображення з локалізованими ділянками
тріщин. Після цього його аналізують від-
повідно до методики інтегральної оцінки по-
верхні та класифікації тріщин.
Алгоритм ідентифікації положення трі-
щин на поверхні нанопокриву. Щоб ідентифі-
кувати тріщини на фотозображенні дослідного
зразка, використали алгоритм, що містить опе-
рації нормалізації зображення, фільтрування,
бінаризації, скелетизації та визначення поло-
ження тріщин [17]. Вихідним для аналізу є сіре
багатоградаційне зображення досліджуваного
зразка G, отримане на виході цифрової камери.
Нормалізація зображення є підготовчою
операцією, що полягає у вирівнюванні освітле-
ності і дає змогу зменшити вплив нерівномір-
ності освітлення досліджуваної зони нанопо-
криву на подальшу роботу алгоритму. Ця операція має два етапи: формування
загальної картини освітленості шляхом низькочастотного фільтрування та вида-
лення з початкового зображення низькочастотної складової.
Рис. 1. Схема визначення
напрямків поширення тріщини
[9]: поздовжні (1), поперечні (2),
блочні (1 та 2) і алігаторські
(3 та 4) тріщини.
Fig. 1. The procedure for deter-
mining directions of crack
propagation [9]: longitudinal (1),
transverse (2); block (1 and 2)
and alligator (3 and 4) cracks.
82
Бінарне перетворення – первинна базова операція виявлення частин зобра-
ження, що належать тріщинам, і виокремлення їх від фону. Перетворюють шля-
хом порівняння яскравості кожної точки зображення з певним граничним значен-
ням. Використано адаптивний метод бінаризації, за якого границю перетворення
обчислюють окремо для кожного фрагмента зображення. Такий підхід дає мож-
ливість зменшити вплив завад на розпізнавання зображення [18].
Проте складна геометрія тріщин зумовлює дискретний характер отриманого
бінарного зображення, яке містить значну кількість фрагментів однієї і тієї ж трі-
щини. Щоб усунути із зображення малі шумові елементи та підсилити на ньому
головні тріщини, вихідне зображення фільтрують дискретним ґауссовим фільтром
[19]. Фільтрування “розмиває” межі об’єктів бінарного зображення, в результаті
чого близькі об’єкти об’єднуються, формуючи одну неперервну тріщину. Пов-
торна бінаризація дає змогу на основі відфільтрованого багатоградаційного зо-
браження сформувати масив точок, які описують положення тріщини й прийма-
ються для подальшого розгляду. Отримане на цьому етапі зображення I містить
загальну картину розтріскування і може бути використане для отримання інте-
гральних показників, які характеризують стан нанопокриву [2, 19].
Рис. 2. Вихідне зображення деформованої поверхні (a, d, g, j), результати обробки та
ідентифікації тріщиноподібних дефектів (b, e, h, k) і діаграми розподілу кутів нахилу трі-
щин (c, f, i, l) за відносної деформації ε = 5,9% (а–c); 7,8% (d–f); 15,3% (g–i); 45,4 % (j–l).
Fig. 2. The original image of deformed surface (a, d, g, j), results of processing and identifica-
tion of crack-like defects (b, e, h, k) and curves of crack inclination angles distribution (c, f, i, l)
under relative deformation ε = 5.9% (а–c); 7.8% (d–f); 15.3% (g–i); 45.4 % (j–l).
83
Подальші етапи обробки зображення дають можливість визначити кількість
тріщин, їх положення, напрям та розмір [7, 8]. Зображення пошкодженої поверх-
ні одержували за різних деформацій, після чого їх аналізували згідно з описаним
алгоритмом. Показано (рис. 2) отримані за допомогою мікроскопа вихідні багато-
градаційні фотографії поверхні, розпізнані зони локалізації тріщин як результат
їх ідентифікації та діаграми розподілу кутів нахилу тріщин.
Методика інтегрального оцінювання стану поверхні та класифікації
тріщин. Вихідною інформацією для аналізу розтріскування є розпізнане зобра-
ження I пошкодженої тріщинами аналізованої поверхні, на якому нульові пікселі
відповідають фону, а ненульові – тріщинам. За результатами обробки зображення
одержали два види гістограм: вертикальну Vh та горизонтальну Hh [10]:
1
( ) ( , )
n
h
i
V j I i j
=
= ∑ , (1)
1
( ) ( , )
m
h
j
H i I i j
=
= ∑ , (2)
де j – індекс стовпця, j ∈ (1,...,m); i – індекс рядка зображення, i ∈ (1,...,n).
Кожен елемент вертикальної та горизонтальної гістограми містить ненульові
пікселі відповідно у стовпчиках та рядках аналізованого зображення. Гістограми
для дослідного зразка за деформації ε = 5,9% (рис. 2а) наведено на рис. 3.
Рис. 3. Горизонтальна (а) та вертикальна (b) гістограми
для зображення деформованої поверхні на рис. 2а.
Fig. 3. Horizontal (a) and vertical (b) histograms for representation
of the deformed surface in Fig. 2а.
Гістограми (1), (2) є вихідним базовим масивом даних, на основі якого оцінюва-
ли ступінь розтріскування аналізованої поверхні вздовж координатних осей та ви-
значали ділянки зображення, що відповідають пошкодженим фрагментам поверхні.
Для кожної з гістограм розраховували середні значення [10]:
( )
1
/
m
v h
j
V j m
=
⎛ ⎞
µ = ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠
∑ , (3)
( )
1
/
n
h h
i
H i n
=
⎛ ⎞
µ = ⎜ ⎟
⎝ ⎠
∑ . (4)
Параметри µv та µh містять усереднену кількість ненульових пікселів у вер-
тикальній та горизонтальній гістограмах, відповідно. Таким чином, коефіцієнти
µv та µh дають загальну характеристику про ступінь розтріскування поверхні за
двома координатними осями зображення. Однією з переваг використання серед-
нього значення гістограм є чутливість цього методу до зміни напрямку поши-
рення тріщини. Крім того, коефіцієнти µv та µh інваріантні щодо положення трі-
84
щини: якщо її зсунути вздовж однієї з координатних осей зображення, то середні
значення будуть незмінні.
Для кожної гістограми обчислювали схожість як накопичену різницю між
суміжними значення гістограми [10]:
( ) ( )
1
1
1
m
v h h
j
V j V j
−
=
Ω = + −∑ , (5)
( ) ( )
1
1
1
n
h h h
i
H i H i
−
=
Ω = + −∑ , (6)
де Ωv, Ωh – відповідно вертикальна та горизонтальна схожості.
За параметрами Ωv та Ωh оцінюють однорідність розтрісканої поверхні у
двох координатних напрямках. Низький коефіцієнт схожості свідчить про не-
значні відмінності між окремими рядками (стовпцями) зображення. На практиці
це відповідає однорідній картині розтріскування в певному напрямку.
Таким чином, пари узагальнених характеристик (середніх значень µv, µh та схо-
жості Ωv, Ωh) дають змогу отримати комплексну інтегровану характеристику аналі-
зованого зображення у двох взаємоперпендикулярних координатних напрямках.
Закономірності множинного розтріскування. Аналіз фізико-механічних
закономірностей поведінки активних розломів і тріщин показав, що досліджено-
му матеріалу притаманний складний розподіл деформацій та зсувів, які спричи-
няють різні ступені деформування і зміщення фрагментів покриву [19]. Пластич-
ні зсуви покриву зумовлюють зміну відносного положення між множинними
дефектами. При цьому зміщення поверхні у горизонтальному напрямку вздовж
розлому (зсуви) та під кутом до нього (насування) випадкові, тоді як вертикальна
компонента переміщень має циклічний впорядкований характер [19].
Слід зазначити, що деформація поверхні визначається пластичним течінням
основи та розкриттям множинних дефектів [20]:
int
1
p
i
ki l=
δ
ε = ε + ∑ , (7)
де εint – деформація фрагментів покриву між тріщинами; δi – розкриття і-ої тріщи-
ни; p – кількість тріщин на дослідженій довжині lk.
Цирконієвий нанопокрив можна розглядати як багаторівневу систему, в якій
пластичне течіння розвивається як послідовна еволюція втрати стійкості на різ-
них масштабних рівнях (мікро-, мезо-, макро-) [6, 21].
Отримані результати (рис. 4) показують, що за малих деформацій (до 15%)
значення µv та µh зростають несуттєво – це означає, що загальна картина розтріс-
кування залишається практично незмінною. Вищі значення µv вказують на біль-
шу площу розтріскування у вертикальному напрямку, ніж у горизонтальному.
При цьому деформування відбувається на мікрорівні, а концентраторами напру-
жень є мікронеоднорідності структури [22]. Низький коефіцієнт вертикальної
схожості Ωv за деформацій до 15% свідчить про малу змінність картини розтріс-
кування вздовж цієї координатної осі: значні фонові проміжки змінюються одно-
рідними фрагментами тріщин.
Характер розвитку фрагментації покриву визначають параметрами розташо-
ваних вздовж нього тріщин [21]. З точки зору класифікації тріщин, інформатив-
ним є спектральний аналіз функцій Vh(j) та Hh(i). Застосувавши щодо них пере-
творення Фур’є, отримаємо множину гармонік, які характеризують картину роз-
тріскування вздовж відповідної осі. Якщо поверхня містить переважно перпенди-
кулярні до координатної осі тріщини, то у функції гістограми для цієї осі перева-
жатимуть високочастотні складові (горизонтальна гістограма, див. рис. 3а). Гіс-
85
тограма для осі, вздовж якої направлені тріщини, містить головно низькочастотні
складові (вертикальна гістограма, див. рис. 3b).
Рис. 4. Залежність інтегральних параметрів розтріскування від відносної деформації
зразка ε: середні значення µh (1) та µv (2); схожість Ωh (3) та Ωv (4):
І – мікро-; ІІ – мезо-; ІІІ – макрорівень.
Fig. 4. Dependence of integral cracking parameters on the sample relative deformation ε:
mean values µh (1) та µv (2); similarity Ωh (3) та Ωv (4): І – micro-; ІІ – mezо-; ІІІ – macrolevel.
Як інтегральну величину, що характеризує амплітудний спектр функцій Vh(j)
та Hh(i), використали центральну гармоніку C. Вона розподіляє спектр на однако-
ві за площею частини і показує, які гармоніки роблять найбільший вклад у фор-
мування функції спектра (рис. 5). Побудовані (рис. 6) графіки зміни центральної
гармоніки Ch та Cv для проаналізованих зображень (див. рис. 2).
Рис. 5. Fig. 5. Рис. 6. Fig. 6.
Рис. 5. Амплітудний спектр функції Hh для зображення рис. 2а.
Fig. 5. Amplitude spectrum of Hh function for image Fig. 2а.
Рис. 6. Залежність зміщення середини спектра Ch (1) та Cv (2) від відносної деформації ε.
Fig. 6. Dependence of the displacement range of the mid spectrum Ch (1) and Cv (2)
on relatively strain ε.
Виявлено, що за малих відносних деформацій (до 15%), тріщини орієнтовані
переважно у горизонтальному напрямку, а у функції горизонтальної гістограми
Hh переважають гармоніки з вищими частотами. Водночас функція вертикальної
гістограми Vh містить переважно низькочастотні гармоніки, що вказує на більшу
однорідність розтріскування у горизонтальному напрямку.
За значних деформацій (на етапі руйнування покриву) величина Ch для гори-
зонтальної гістограми стрімко знижується – спектр зміщується в сторону низько-
частотних гармонік. Це підтверджує розорієнтацію тріщин та втрату ними пере-
важно горизонтального напряму. Проте спектр функції вертикальної гістограми
86
зміщується в сторону високочастотних гармонік, що вказує на посилений ріст
тріщин вздовж вертикальної осі. Зазначимо, що залежності подані на рис. 6 від-
творюють таку ж закономірність, як і зміна коефіцієнтів схожості (див. рис. 4b).
Стадійність та параметри множинного розтріскування. Розтріскування
відбувається стадійно та одночасно з деформуванням, при цьому активуються
тріщини у матеріалі, що пов’язано з їх вибірковим підростанням та об’єднанням з
більшими дефектами (див. таблицю).
Параметри та типи множинного розтріскування
дослідженого цирконієвого нанопокриву
Відносна
деформація
покриву ε, %
Параметри
пошкодження µv, µh
Тип тріщини
Домінуюча
орієнтація тріщин
(0…180°), %
5,9 21,4 / 28,5 Поздовжні тріщини 65,18
7,8 27,9 / 37,2 Поздовжні тріщини 77,86
30,3 94,2 / 125,6 Поздовжні +
+ поперечні тріщини 49,13
45,4 134,4 / 179,1 Фрагментація та
руйнування покриву 31,18
За відносної деформації ε = 6,0…8,0% покрив вкривається мережею гори-
зонтально розташованих тріщин. Відносна деформація ε = 15…35% спричиняє
зростання коефіцієнтів µ. Це вказує на активацію поширення тріщин в обох ко-
ординатних напрямках, тобто на ротаційне та зсувне зміщення блоків матеріалу
(мезорівень). Слід зазначити, що швидкість збільшення µv помітно вища. Оскіль-
ки горизонтальний напрям тріщин переважний, то швидше зростання коефіцієнта
µv вказує, що на цьому етапі ширина тріщини (µv) збільшується суттєвіше, ніж
довжина (µh). Перевага горизонтального напряму підростання дефектів підтвер-
джується високим значенням середньої гармоніки Ch.
За ε = 15…35% схожість суттєво зменшується – це вказує на утворення но-
вих тріщин та їх розорієнтацію (див. рис. 2). Високі значення Ωv та Ωh за великих
деформацій свідчать про складну неоднорідну картину розтріскування, зумовле-
ну загальним руйнуванням покриву. На цьому ж етапі відбувається зміщення по-
чаткового високочастотного спектра функції Vh у сторону низьких частот, відхи-
лення орієнтації тріщин від горизонталі. Елементарними носіями деформування
на мезорівні є структурні елементи (фрагменти покриву), рух яких визначають за
схемою “зсув + поворот” [23].
За ε ≈ 45% відбуваються значні зміни в орієнтації тріщин, пов’язані з їх роз-
криттям та фрагментацією покриву, і завершальний етап – руйнування.
Стадійність розтріскування, активація та коалесценція дефектів залежить від
деформаційних процесів [24]. Зокрема, на макрорівні вичерпування пластичності
пов’язане з рівнем локалізації деформацій. Цей процес прогресує зі зростанням
макродеформацій та підвищенням напружень у фрагментах покриву [25]. При
цьому множинні дефекти в матеріалі частково збільшують його деформаційні
властивості, спричиняючи “поглинання” енергії пружно-пластичних деформацій
прилеглих ділянок [26].
ВИСНОВКИ
Досліджено спосіб оцінювання стану пошкодженої поверхні на основі аналі-
зу її зображення і обчислення інтегральних параметрів вертикальної та горизон-
тальної гістограм. Запропоновано метод оцінювання стану розтріскування по-
верхні шляхом спектрального аналізу функцій гістограм. Показано можливість
87
класифікації тріщин за видами (поздовжні, поперечні, блочні тощо) шляхом об-
числення інтегральних параметрів.
На основі запропонованої методики виявлено основні закономірності руйну-
вання цирконієвого покриву, нанесеного на сталеву основу, за відносних дефор-
мацій від 5 до 45%. Встановлено, що окремим стадіям руйнування покриву від-
повідають свої інтегральні параметри. Запропоновано фізико-механічну інтер-
претацію стадійності деформування матеріалу з множинними дефектами, яка
забезпечується узгодженістю деформування матеріалу і розкриття дефектів. Це
дає змогу використовувати запропонований підхід для технічного діагностування
стану досліджуваної поверхні.
За досягнення граничного стану покрив поділяється на низку квазірегулярно
розташованих фрагментів приблизно однакового розміру з формуванням регу-
лярного рельєфу. На завершальних етапах деформування утворюється складчас-
тий рельєф та ділянки множинного розтріскування з утворенням системи пара-
лельних тріщин.
РЕЗЮМЕ. Проведена идентификация и количественный анализ сетки трещин в цир-
кониевом нанопокрытии на основе обработки цифровых изображений поверхности. Пове-
дение дефектов оценивали по результатам диагностики отдельных этапов деформацион-
ного процесса. Установлено, что отдельным стадиям разрушения покрытия соответству-
ют определенные интегральные параметры изображения. На основании последовательной
обработки данных множественного поверхностного растрескивания выявлены основные
закономерности коалесценции отдельных дефектов и фрагментации покрытия. Установ-
лено, что множественные дефекты в материале увеличивают его деформационные свойст-
ва, вызывая “поглощение” энергии упруго-пластических деформаций прилегающих
участков. Представлены теоретические предпосылки и экспериментальные результаты.
SUMMARY. Identification of the quantitative analysis of crack network in the zirconium
nanocoating based on the digital imaging surface processing are described. The behavior of the
defects was assessed by the results of diagnostics of individual stages of the deformation pro-
cess. The basic laws of coalescence of individual defects and fragmentation of the coating was
analysed on the base on the serial processing of multiple cracking of the surface. The presence
of multiple defects in the material increases its deformation properties, causing the energy
“absorption” of elastic-plastic deformation of the surrounding areas. Theoretical background and
experimental results are presented.
1. Calculations of theoretical strength: State of the art and history / J. Pokluda, M. Černý,
P. Šandera, M. Šob // J. of Computer-Aided Materials Design. – 2004. – 11. – P. 1–28.
2. 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. // Theor. and Appl. Fract.
Mech. – 2012. – 57. – P. 43–48.
3. Sevostianov I. and Kachanov M. Local minima and gradients of stiffness and conductivity as
indicators of strength reduction of brittle-elastic materials // Int. J. of Fracture. – 2010.
– 164 (1). – P. 147–154.
4. Allen D. H. and Searcy C. R. A model for predicting the evolution of multiple cracks on mul-
tiple length scales in viscoelastic composites // J. of Mat. Sci. – 2006. – 41. – P. 6510–6519.
5. Kushch V. I., Sevostianov I., and Mishnaevsky L. Jr. Effect of crack orientation statistics on
effective stiffness of mircocracked solid // Int. J. of Solids and Struct. – 2009. – 46, № 6.
– P. 1574–1588.
6. Panin V. E., Goldstein R. V., and Panin S. V. Mesomechanics of multiple cracking of brittle
coatings in a loaded solid // Int. J. of Fracture. – 2008. – 150. – P. 37–53.
7. Деформування розломно-блокових середовищ з урахуванням зон множинного тріщинo-
утворення / П. В. Ясній, П. О. Марущак, І. Б. Окіпний та ін. // Закл. звіт україно-білорусь-
кого науково-досл. проекту (0111U008340). – Тернопіль: ТНТУ ім. І. Пулюя, 2011. – 60 с.
8. Strain stages and regularities of static fracture of 25Cr1Mo1V steel damaged by a network
of thermal fatigue cracks / P. V. Yasniy, P. O. Maruschak, S. V. Panin, P. S. Lyubutin // 13th
Int. Conf. “Mesomechanics 2011” (6–8 July). – Italy: Vicenza, 2011. – P. 84–87.
9. Zhu Z., German S., and Brilakis I. Visual retrieval of concrete crack properties for automated
post-earthquake structural safety evaluation // Automation in Construction. – 2011. – 20(7).
– P. 874–883.
88
10. Hassani A. and Ghasemzadeh Tehrani H. Crack detection and classification in asphalt pave-
ment using image processing // Pavement Cracking: Mechanisms, Modeling, Detection,
Testing and Case Histories. – 2008. – P. 891–896.
11. Кількісний аналіз структурних змін у сталі внаслідок високотемпературної витримки у
водні / О. З. Студент, Б. П. Русин, Б. В. Кисіль та ін. // Фіз.-хім. механіка матеріалів.
– 2003. – № 1. – С. 22–28.
(Student O. Z., Rusyn B. P., Kysil’ B. V., Kobasyar M. I., Stakhiv T. P., and Markov A. D.
Quantitative Analysis of Structural Changes in Steel Caused by High-Temperature Holding
in Hydrogen // Materials Science. – 2003. – № 1. – P. 17–24.)
12. Physical regularities in cracking of nanocoating and the method for automated determination
of crack network parameters / P. O. Maruschak, I. V. Konovalenko, V. Gliha et al. // Book of
abstracts of 19th Conf. on Materials and Technology (November 22–23). – Slovenia,
Portoroz, 2011. – P. 52.
13. Деформация и разрушение образцов сталей 12Х1МФ и 25Х1М1Ф с наноструктурным
покрытием при циклическом растяжении и знакопеременном изгибе / П. В. Ясний,
П. О. Марущак, С. В. Панин и др. // IV Всероссийская конф. по наноматериалам
“НАНО-2011” (1–4 марта). – М.: Ин-т металлургии и материаловедения им. А. А. Бай-
кова РАН, 2011. – С. 452.
14. Панин С. В., Марущак П. О., Любутин П. С. Иерархические уровни деформирования
теплостойкой стали с множественными дефектами // Тез. докл. Межд. конф. по физи-
ческой мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материа-
лов (5–9 сентября). – Томск: ИФПМ СО РАН, 2011. – С. 73–75.
15. Установка ионно-магнетронного напыления нанокристаллических покрытий (КВАНТ)
/ В. П. Сергеев, В. П. Яновский, Ю. Н. Параев и др. // Физическая мезомеханика.
– 2004. – 7, Cпец. вып. 2. – С. 333–336.
16. Increase of plasticity of maraging steels by means of ion beam nanostructuring of surface
layer / O. V. Sergeev, M. V. Fedorischeva, V. P. Sergeev et al. // 10th Int. Conf. on Modifi-
cation of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (September 19–24). – Tomsk,
2010. – P. 342–344.
17. Yasniy P., Konovalenko I., Maruschak P. Investigation into the geometrical parameters of a
thermal fatigue crack pattern // WSEAS Int. Сonf. “New aspects of engineering mechanics,
structures and engineering geology”. – Greece, Heraklion, Crete Island, 2008. – P. 61–66.
18. 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. – № 6. – С. 83–88.
(Yasnii P. V., Marushchak P. O., Konovalenko I. V., Bishchak R. T. Computer analysis of
surface cracks in structural elements // Materials Science. – 2008. – № 6. – P. 833–839.
19. Analysis of brittle coating fragmentation under uniaxial tension for Weibull strength distri-
butions / J. Andersons, U. A. Handge, I. M. Sokolov, A. Blumen // Eur. Phys. J. B. – 2000.
– 17. – P. 261–268.
20. Li V. C. and Wu H. C. Conditions for pseudo strain-hardening in fiber reinforced brittle
matrix composites // J. Applied Mech. Review. – 1992. – 45. – P. 390–398.
21. Zhu Y. T., Liao X. Z., and Wu X. L. Deformation twinning in nanocrystalline materials
// Progress in Mat. Sci. – 2012. – 57 (1). – P. 1–62.
22. Evaluation of hardening of plastically deformed steels / P. Yasniy, V. Hlado, P. Maruschak,
D. Baran // Proc. of the 13th Int. Conf. “Experimental Analysis of Nano and Engineering
Materials and Structures” (July 1–6). – Greece: Alexandroupolis, 2007. – P. 147–148.
23. Maruschak P.O., Konovalenko I.V., Bishchak R.T. Effect of thermal fatigue cracks on brittle-
ductile deformation and failure of CBCM roller surface layers // Metallurgist. – 2012. – 56.
– P. 30–36.
24. Исследование локальных смещений материала, поврежденного сеткой трещин терми-
ческой усталости / П. О. Марущак, Р. Т. Бищак, С. В. Панин, П. С. Любутин // Тез.
докл. межд. науч.-техн. конф. “Современные проблемы машиноведения”, научные
чтения посв. 115-летию со дня рождения П. О. Сухого, (28–29 октября). – Гомель:
ГГТУ им. П. О. Сухого, 2010. – С. 59–60.
25. 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.
26. Andersons J., Tarasovs S., and Leterrier Y. Evaluation of thin film adhesion to a compliant
substrate by the analysis of progressive buckling in the fragmentation test // Thin Solid
Films. – 2009. – 517 (6). – P. 2007–2011.
Одержано 16.02.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-139775 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0430-6252 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:28:32Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Коноваленко, І.В. Марущак, П.О. 2018-06-21T10:41:30Z 2018-06-21T10:41:30Z 2012 Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами / І.В. Коноваленко, П.О. Марущак // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2012. — Т. 48, № 4. — С. 80-. — Бібліогр.: 26 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139775 670.191.33 Ідентифіковано та кількісно проаналізовано мережі тріщин у цирконієвому нанопокриві на основі оброблення цифрових зображень. Поведінку дефектів оцінено за результатами діагностування окремих етапів деформаційного процесу. Встановлено, що окремим стадіям руйнування покриву відповідають свої інтегральні параметри зображення. На основі послідовної обробки даних поверхневого множинного розтріскування виявлено основні закономірності коалесценції окремих дефектів та фрагментації покриву. Встановлено, що множинні дефекти в матеріалі частково збільшують його деформаційні властивості, спричиняючи “поглинання” енергії пружно-пластичних деформацій прилеглих ділянок. Подано теоретичні передумови і експериментальні результати. Проведена идентификация и количественный анализ сетки трещин в циркониевом нанопокрытии на основе обработки цифровых изображений поверхности. Поведение дефектов оценивали по результатам диагностики отдельных этапов деформационного процесса. Установлено, что отдельным стадиям разрушения покрытия соответствуют определенные интегральные параметры изображения. На основании последовательной обработки данных множественного поверхностного растрескивания выявлены основные закономерности коалесценции отдельных дефектов и фрагментации покрытия. Установлено, что множественные дефекты в материале увеличивают его деформационные свойства, вызывая “поглощение” энергии упруго-пластических деформаций прилегающих участков. Представлены теоретические предпосылки и экспериментальные результаты. Identification of the quantitative analysis of crack network in the zirconium nanocoating based on the digital imaging surface processing are described. The behavior of the defects was assessed by the results of diagnostics of individual stages of the deformation process. The basic laws of coalescence of individual defects and fragmentation of the coating was analysed on the base on the serial processing of multiple cracking of the surface. The presence of multiple defects in the material increases its deformation properties, causing the energy “absorption” of elastic-plastic deformation of the surrounding areas. Theoretical background and experimental results are presented. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами Автоматизированный анализ множественного растрескивания нанопокрытия по интегральным параметрам Automated analysis of multiple cracking of a nanocoating using integral parameters Article published earlier |
| spellingShingle | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами Коноваленко, І.В. Марущак, П.О. |
| title | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| title_alt | Автоматизированный анализ множественного растрескивания нанопокрытия по интегральным параметрам Automated analysis of multiple cracking of a nanocoating using integral parameters |
| title_full | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| title_fullStr | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| title_full_unstemmed | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| title_short | Автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| title_sort | автоматизований аналіз множинного розтріскування нанопокриву за інтегральними параметрами |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/139775 |
| work_keys_str_mv | AT konovalenkoív avtomatizovaniianalízmnožinnogoroztrískuvannânanopokrivuzaíntegralʹnimiparametrami AT maruŝakpo avtomatizovaniianalízmnožinnogoroztrískuvannânanopokrivuzaíntegralʹnimiparametrami AT konovalenkoív avtomatizirovannyianalizmnožestvennogorastreskivaniânanopokrytiâpointegralʹnymparametram AT maruŝakpo avtomatizirovannyianalizmnožestvennogorastreskivaniânanopokrytiâpointegralʹnymparametram AT konovalenkoív automatedanalysisofmultiplecrackingofananocoatingusingintegralparameters AT maruŝakpo automatedanalysisofmultiplecrackingofananocoatingusingintegralparameters |