Channel 5 - построение карт напряжений зерен

1. Визуализация напряженных состояний зерен на основе данных EBSD-картирования

Информация об ориентации кристаллической решетки в каждой точке позволяет отличать кристаллиты одной и той же фазы друг от друга, и она же позволяет выявлять неоднородности ориентации внутри самих кристаллитов. Эти неоднородности характеризуют напряженные состояния зерен. Одна из форм представления результатов о неоднородностях ориентации внутри кристаллитов — это карты типа strain contouring (карты напряжений зерен). Алгоритм построения карт strain contouring:

1. Детектируются зерна по заданному алгоритму. Например, обычно указывают, что если между соседними пикселями больше 10° разориентации, то эти пиксели считаются относящимися к разным зернам. Если меньше 10° — то к одному зерну. Вместо порога в 10° может быть другой порог.

2. В пределах одного зерна сравниваются ориентации всех пикселей со всеми. Из получившегося длинного списка со значениями разориентаций выбирается максимальное значение, это значение и является характеристикой напряженного состояния данного зерна. На карте типа strain contouring данное зерно приобретает определенный оттенок в зависимости от величины своей максимальной разориентации. Например, на рис. ниже приведена карта strain contouring и ее легенда, согласно которой красный цвет приобретают зерна с максимальной разориентацией около 2°, а синий — ненапряженные зерна. Далее будем называть максимальную разориентацию в пределах одного зерна уровнем напряжений.

2. Карты напряжений зерен в ПО Channel 5

1. Откройте собранную EBSD-карту в программе Tango пакета Channel 5.

2. Edit → New map, в окне Map composer выберете Strain contouring из списка справа. Если такого пункта нет, то кликнув правой кнопкой на списке справа, надо выбрать Add, активировать вкладку Grain Components и найти Strain contouring:

3. Перетащите наименование Strain contouring к соответствующему пункту слева. Например, опцию Strain contouring можно применить сразу ко всем фазам EBSD-карты (All Phases), либо только к одной или нескольким выбранным фазам, а области других фаз тогда останутся белыми на сконструированной карте Strain contouring.

4. По правой кнопке на Strain contouring в списке «Components in map» доступны настройки этой карты (Properties), состоящие из нескольких вкладок. Каждая вкладка требует отдельного пояснения.

3. Параметры карты напряжений, вкладка General

Name и Short name: имя и краткое имя для ПО Tango:

Method: подход к созданию цветовой легенды: Experimental: на данной EBSD-карте детектируется зерно с минимальным уровнем напряжений (0,07° на вкладке General в примере выше), зерно с максимальным уровнем напряжений (2,13° в примере выше). Вся доступная шкала радужных оттенков нормируется на диапазон от 0,07° (синие оттенки) до 2,13° (красные оттенки); Theoretical: вся доступная шкала радужных оттенков нормируется на диапазон от 0° (синие оттенки) до 360° (красные оттенки); User defined: пользователь самостоятельно задает минимальный и максимальный уровени напряжений (в градусах), на диапазон между которыми будут нормированы все доступные радужные оттенки. Полезно в случае, когда надо построить несколько strain contouring для разных участков, но с одинаковой цветовой легендой.

4. Параметры карты напряжений, вкладка Color Scheme

Выбор оттенков.

5. Параметры карты напряжений, вкладка Strain Contouring

Halfwidth [μm]: ключевой параметр при настройке Strain contouring. Это параметр, измеряемый в микронах. Рекомендуется, чтобы он был равен среднему размеру зерна на рассматриваемой карте. Чтобы определить средний размер зерна: 1. Edit → Grain detection;

2. Укажите Critical misorientation и Min.area. В приведенном примере пиксели считаются относящимися к разным зернам, если разориентация между ними выше чем 10°, иначе они относятся к одному зерну. Минимальное количество смежных пикселей, которые считаются отдельным зерном – 9 пикселей (здесь может использоваться и 6 пикселей, т.е. зерном будет считаться такая фигура ). 3. Нажмите на кнопку Detect grains. Пустое поле заполнится списком зерен с их морфологическими параметрами. 4. Нажмите на кнопку Statistics, чтобы узнать средний размер зерен. Нужный нам параметр — это EX в списке справа. В данном случае единицы измерения среднего размера зерен – μm (единицы должны совпадать с теми, что используются для Halfwidth [μm] в настройках Strain contouring). Проследите, чтобы не стояла галочка incl.border grains (т.е., чтобы зерна, прилегающие к краям EBSD-карты и представленные на карте не полностью, не участвовали в статистической оценке). В списке слева надо выбрать соответствующую фазу/фазы. Например, если Вы планируете генерировать Strain contouring только для аустенита, то в списке слева надо отметить галочкой только аустенит. Полученную величину EX печатаем напротив Halfwidth [μm] в настройках Strain contouring.

Помимо Halfwidth на вкладке Strain contouring есть еще ряд настроек, но все они актуальны только в том случае, если вместо Display → Colors выбрано Display → Contour Lines (т.е., контурная карта вместо цветной карты). Для контурной карты надо указать, с каким шагом (в градусах) будут следовать изолинии, сколько будет этих линий, какого цвета/толщины будет каждая изолиния, между какими максимальным и минимальным уровнями напряжений проводить изолинии.

6. Параметры карты напряжений, вкладка Histogram

Изменение этих настроек никак не отражается на картах Strain contouring. Эти настройки используются только тогда, когда помимо собственно карты strain contouring извлекается также гистограмма распределения уровня напряжений между зернами. Активируйте готовую карту Strain contouring в Tango и кликните на кнопку . Появится легенда, которая показывает связь между цветом и уровнем напряжений. Легенда сопровождается схематической гистограммой распределения уровня напряжений между зернами:

Кликните правой кнопкой на гистограмму и выберете Zoom Histogram, чтобы получить увеличенную гистограмму, у которой будет не только горизонтальная шкала, но и вертикальная. Настройки в Properties for Strain contouring → Histogram меняют внешний вид гистограммы и единицы на вертикальной шкале, а именно: 1. Откладывать по вертикальной шкале количество зерен с данной ориентацией (Occurrences) или процентную долю этих зерен (Percent и Normalized); 2. Какова ширина столбика гистограммы (Class width); 3. Строить гистограмму как распределение плотностей или кумулятивную:

Распределение плотностей
Кумулятивная гистограмма

Примечания:

1. Если в исходной EBSD-карте много неиндексированных пикселей, то алгоритм определения среднего размера зерен, описанный в п. 5, может представить заниженный результат. В этом случае надо выбирать большие Halfwidth, чем EX. 2. Если строится несколько карт Strain contouring на разных участках образца (на разных EBSD-картах), то рекомендуется, чтобы одинаковые цвета на всех Strain contouring соответствовали одинаковым значениям уровня напряжений. Для этого: — постройте все Strain contouring, используя настройки Method → Experimental, выпишите определенное при этом максимальное значение уровня напряжений для каждого участка (см. п. 3); — найдите участок с наивысшим значением максимального уровня напряжений. Это наивысшее значение станет верхней границей диапазона, задаваемого оператором с помощью Method → User defined. Для остальных участков переделайте карты Strain contouring с настройками User defined. 3. При работе с большими EBSD-картами (> 200 000 пикселей) построение карты Strain contouring может занять 10 минут и более. 4. Изменение величины Halfwidth в настройках карты Strain contouring влияет на то, насколько сглаженными будут выглядеть результаты. Например, Strain contouring одного и того же участка с разными значениями Halfwidth (при этом EX = 0,5 мкм):

Halfwidth = 0,75 мкм

Halfwidth = 1,0 мкм

Halfwidth = 2,0 мкм