MediçÃo semi-automática do ensaio de dureza vickers utilizando técnicas de processamento digital de imagens



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SISTEMA SEMI-AUTOMÁTICO PARA A MEDIÇÃO DA DUREZA VICKERS UTILIZANDO TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGENS

T. S. Cavalcante1, P. P. Rebouças Filho1, V. H. C. de Albuquerque1, P. C. Cortez1 e

E. M. Silva2
albuquerque@deti.ufc.br
1Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia de Teleinformática, Laboratório de Engenharia de Sistema de Computação

2Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará, Área da Indústria

RESUMO

O ensaio mecânico para medição de dureza é fundamental para avaliar as propriedades mecânicas dos materiais metálicos, pois a partir deste, é possível determinar a resistência ao desgaste do material em análise, bem como uma aproximação dos valores de ductilidade, tensão de escoamento, entre outras propriedades mecânicas. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo descrever e validar um sistema semi-automático baseado em crescimento de região e limiar por histograma, capaz de mesurar o valor da dureza Vickers. Para validar este sistema, realizam-se comparações entre os resultados obtidos sobre 10 identações entre o sistema proposto e o cálculo convencional. Pela análise dos resultados obtidos, conclui-se que a medição semi-automática da dureza Vickers torna o referido ensaio mais rápido e preciso em relação ao cálculo convencional, produzindo um ganho na medida de dureza Vickers de 5,97 HV, além de tornar o ensaio independente da interpretação do operador.


PALAVRAS-CHAVE: Ensaio mecânico, Ensaio de dureza Vickers e Processamento Digital de Imagem.



  1. INTRODUÇÃO

Os ensaios mecânicos para medições de durezas são utilizados em larga escala para especificar e qualificar algumas das características mecânicas presentes nos materiais metálicos. O valor da dureza de um material pode estimar, através de cálculos matemáticos, a resistência ao desgaste e fornecer informações sobre ductilidade, tratamento térmico, tensão de escoamento e ao corte, entre outros.

Define-se dureza como a resistência que um material apresenta à penetração de um objeto ou ao risco que este causa. A área da Ciência dos Materiais define a dureza como a propriedade que o material possui de resistir a deformações permanentes, sendo proporcional à força de ligação dos átomos (1).

Atualmente os principais ensaios de dureza são: Brinell, Rockwell, Vickers e Knoop. O ensaio Vickers, utilizado neste trabalho, é discutido na seção 2, enquanto que os ensaios Brinell, Rockwell e Knoop podem ser melhor estudados em Souza (2) e Callister (3).

Para a realização do ensaio Vickers, utiliza-se neste trabalho a máquina VEBWERKSTOFFPRÜFMASCHINEN LEIPZIG ZD-20, conforme mostra a Figura 1.

O dispositivo mostrador, apresentado na Figura 1(b), deve seguir as especificações sugeridas pela norma da ABNT NBR NM 187-2 (4), estando devidamente visível e focado com a região da identação do corpo de prova. Este foco é realizado através de um microscópico interno da máquina. Além destes fatores, deve-se determinar o valor correto da carga, de acordo com as propriedades do material, a ser aplicada sobre o material a ser ensaiado. Para o ensaio de dureza Vickers, o valor desta carga pode variar de 9,807 kN a 29,42 kN.


Figura 1: máquina de ensaio de a) dureza Vickers e b) e dispositivo mostrador.

A medição manual de durezas é bastante interpretativa, pois a leitura do valor do diâmetro ou diagonal da identação do penetrador depende diretamente do ângulo de visão do operador (paralaxe) e da calibração do equipamento. Por isso, é importante salientar que a fadiga, o cansaço, o número repetitivo de ensaios podem causar leituras incorretas por parte do operador.

Neste contexto, este trabalho tem com objetivo desenvolver e analisar um sistema semi-automático capaz de mensurar o valor da dureza Vickers a partir da identação sobre o corpo de prova. Para isto, utilizam-se técnicas de Processamento Digital de Imagens (PDI) como, por exemplo, crescimento de região e limiarização por histograma, bem como distância euclidiana.

Os resultados obtidos pelo sistema proposto são comparados com o cálculo convencional de medição de dureza Vickers. Desta forma, é possível avaliar a eficiência e eficácia do sistema proposto.



  1. DUREZA VICKERS

Em 1925 o ensaio de dureza Vickers é criado pelos cientistas Smith e Sandland e recebeu esta denominação porque a empresa em que ambos trabalhavam chamava-se Vickers-Armstrong (5). Como outros métodos de medição de dureza, este também utiliza um penetrador que deixa uma impressão sobre o corpo de prova, também conhecida por identação.

A medição da dureza no ensaio Vickers depende diretamente da carga utilizada e da área criada pela penetração, podendo ser aplicado em qualquer tipo de material, pois seu penetrador é de diamante. Desta forma, este ensaio pode ser utilizado em materiais de tamanho grande e pequeno, de qualquer dureza, bem como pode ser aplicado também em materiais irregulares, muito finos ou grossos, em cerâmicas e outros tipos de materiais (6).

Para a aplicação do ensaio Vickers, o corpo de prova deve apresentar uma superfície livre de oxidações, arestas, lubrificantes, entre outros materiais “estranhos”. Além disso, a superfície deve estar plana e bem acabada para que o operador tenha certeza de que a medição estará correta. Deve ser garantido que não sejam causadas deformações no lado oposto ao da superfície submetida ao ensaio, além de evitar vibrações e choques sobre o equipamento (7).

O ensaio de dureza Vickers deve garantir a aplicação de cargas que variam de 5 a 120 kgf com o tempo de atuação do penetrador sobre o corpo de prova de aproximadamente de 10 a 15 segundos, de acordo com as propriedades mecânicas dos materiais. O valor da dureza é expresso em unidades HV (Hardness Vickers), que corresponde à dureza Vickers (8).

Após a aplicação da carga e atuação do penetrado, o corpo de prova apresenta uma identação que, para o ensaio Vickers, é na forma de um losango regular, conforme apresentado na Figura 2, cujas diagonais são medidas na escala milesimal, através do dispositivo mostrador.

O penetrador utilizado no ensaio Vickers é uma pirâmide de diamante de base quadrada com ângulos entre as faces de 136°. A leitura dos valores das diagonais da identação deve ser realizada através do dispositivo mostrador, devendo utilizar o valor d1 e d2, de acordo com a Figura , e em seguida determinar o valor médio (Dmed) destas diagonais para ser utilizado na equação (A).

Figura 2: leitura das diagonais e para o ensaio Vickers.


Após realizar a leitura das diagonais e conhecer o valor da carga aplicada, calcula-se a área da identação causada pelo penetrador no corpo de prova através da equação

, (A)

em que F representa o valor da carga apliacada e Dmed o valor médio das diagonais d1 e d2.

Além de utilizar a equação (A) para calcular a dureza Vickers, o operador pode consultar a Tabela da norma ASTM E140-05e1(9), na qual converte o valor da diagonal média da identação e o valor da carga aplicada em dureza Vickers.

Para o desenvolvimento do sistema proposto são utilizadas técnicas básicas de PDI como, por exemplo, binarização e limiarização por histograma, descritas na seção 3.





  1. CONCEITOS BÁSICOS DE PDI

Nesta seção, são abordadas técnicas básicas que podem ser aplicadas para extração e análise das características em imagens digitais como, por exemplo, binarização e histograma de imagem.

A binarização tem o objetivo de transformar uma imagem em níveis de cinza em outra com apenas dois níveis de cinza, sendo eles preto e branco (10). O histograma de uma imagem mostra a distribuição dos níveis de cinza da imagem analisada, fornecendo informações úteis para realizar realce, contraste, segmentação, entre outros processos de análises de imagens (11). O histograma é representado por um gráfico em barras que representa a distribuição dos níveis de cinza de uma imagem (para imagens de 8 bits, 0 a 255) na coordenada das abscissas e a quantidade de pixels com cada nível de cinza nas ordenadas (10).
3.1 Limiarização por histograma
A primeira etapa que constitui o algoritmo do sistema proposto é a binarização da imagem original. Esta binarização é realizada automaticamente a partir do histograma da imagem original. É apresentado na Figura 3 (a) uma imagem original de um ferro fundido branco hipoeutetóide, e na Figura 3(b) o histograma desta imagem.

Na Figura 3(b), nota-se a presença de um vale situado á esquerda da componente máxima do histograma (pico), correspondendo ao limiar ótimo para binarizar a imagem original, pois, mantêm as características da identação desta imagem. A localização do vale no histograma é obtida automaticamente para fornecer o valor do menor ponto neste vale, que indica o limiar ótimo para binarizar a imagem original. Este limiar, para Figura 3(a), é de 153.

Os níveis de cinza entre zero e o limiar de 153 deste histograma representam a microestrutura cementita e os níveis de cinza com valores superiores a este limiar, representam a perlita e seus glóbulos.

a) b)


Figura 3: técnica de binarização de uma imagem: a) original e b) seu histograma (12).
Após a imagem original ser binarizada através da limiarização por histograma, aplica-se a técnica de crescimento de região para isolar a aréa de interesse, no caso a identação.



  1. CRESCIMENTO DE REGIÃO

Crescimento de região (CR) é uma técnica aplicada em processamento de imagens digitais para unir os pixels das regiões de interesse que estejam na forma de área em duas dimensões. A técnica de CR realiza a associação de grupos ou subgrupos de pixels em uma região desejada.

A agregação das regiões é determinada pela seleção de uma semente na região em análise como, por exemplo, um pixel que pertença a esta região e que tenha direção e sentido definidos, bem como características semelhantes às do objeto (região) desejado. Estas características são obtidas, normalmente, por parâmetros de intensidade, média local, variância local, entre outros (13).

CR pode ser realizado através de técnicas locais, em que uma semente (pixel) é selecionada a partir da região desejada. Para a aplicação das técnicas globais, mais de uma semente é distribuída em várias áreas de uma mesma imagem. Já na técnica de divisão e fusão, as regiões podem ser divididas ou fundidas usando, entre outras técnicas, gráficos estruturados (14).

Para a aplicação do algoritmo de CR, inicialmente determina-se uma região de ineteresse (RI) na qual deseja realizar a análise, sendo que esta pode ser subdividida em n regiões RI1, RI2,..., RIn) (10)(14).

A equação relativa para a aplicação do crescimento de região é dada por,



, (B)

em que RI indica que a segmentação da região desejada deve ser completa. Ri é uma região conectada para i = 1, 2,..., n, em que Ri ∩ RI = ø para todo i = 1, 2,..., n.

Após extrair a região de interesse (identação) na imagem limiarizada utilizando crescimento de região, aplica-se a distância euclidiana para calcular as diagonais da identação(15), através dos valores dos pixels que constituem a parte inferior à superior na vertical e na horizontal da identação, de acordo com Figura 2.



  1. RESULTADOS E DISCUSSÕES

O sistema desenvolvido neste trabalho utiliza técnicas de Processamento e Análise de Imagem e linguagem de programação C++ visando tornar mais rápido e preciso os resultados de medição da dureza Vickers.

Para utilizar o sistema proposto e o cálculo convencional da dureza Vickers, deve-se primeiramente preparar metalograficamente a amostra, para em seguida realizar o ensaio em uma superfície inteiramente polida. Após este ensaio, a imagem da identação é capturada em um microscópio óptico para, em seguida, aplicar as técnicas de Processamento de Imagem que constituem o sistema proposto.

Para utilizar esta imagem no sistema proposto, deve-se primeiramente clicar sobre o botão abrir imagem e em seguida clicar sobre a região da identação, conforme Figura 4. Nesta etapa, a imagem original é binarizada através da limiarização por histograma, além de ser aplicada a técnica de Crescimento de Região e distância Euclidiana para determinar a diagonal média da identação.

Para obter o valor da dureza Vickers, o operador deve informar o valor da carga utilizada no ensaio, bem como o valor do aumento em que a imagem é capturada no microscópio óptico. Por fim, clica-se sobre o botão Vickers para informar o valor preciso da dureza Vickers.

É apresentada na Figura 4(a) a imagem original da identação e na Figura 4(b) o resultado da aplicação do sistema proposto sobre a identação (cor de vermelha), respectivamente.


a) b)


Figura 4: Identação da imagem a) original e b) resultado da aplicação do sistema proposto.
Por último, o sistema proposto oferece a opção de salvar a imagem processada para que o operador possa analisá-la posteriormente.

No ensaio de dureza Vickers realizado neste trabalho é utilizado um penetrador de diamante e carga de 100 kgf. Os resultados obtidos entre o sistema proposto e o cálculo convencional para 10 identações sobre o mesmo corpo de prova são apresentados na Tabela 1.

Tabela 1: resultados obtidos através do cálculo convencional e sistema proposto.


Amostras

Cálculo convencional

Crescimento de Região

1

447,72 HV

445,74 HV

2

444,95 HV

460,59 HV

3

441,52 HV

440,97 HV

4

442,89 HV

435,11 HV

5

447,72 HV

442,51 HV

6

443,58 HV

425,12 HV

7

436,79 HV

420,08 HV

8

445,64 HV

436,35 HV

9

447,03 HV

442,16 HV

10

456,19 HV

445,73 HV

Média

445,40 HV

439,43 HV

Nota-se que a diferença média entre os valores obtidos entre o cálculo convencional e o sistema proposto para a dureza Vickers é de 5,97 HV, sendo este o que mais se aproxima do valor real. Isto porque é utilizado um bloco que apresenta dureza no valor de 436 HV.





  1. CONCLUSÕES

A medição convencional da dureza Vickers é um processo cansativo, enfadonho e inteiramente dependente da interpretação da leitura das diagonais da identação pelo operador, estando propício à obtenção de erros nos resultados finais.

Para tornar este ensaio mais preciso, rápido e menos subjetivo, desenvolve-se neste trabalho um sistema baseado em técnicas de Processamento Digital de Imagens utilizando crescimento de região e limiarização por histograma, além da distância euclidiana.

O processo de medição semi-automática de dureza Vickers obtém resultados mais precisos, mais rápidos e menos independente do operador em relação ao cálculo convencional, além de ser totalmente independente do operador durante a leitura das diagonais, sendo esta a principal contribuição deste trabalho.

Após a validação do sistema proposto, o mesmo está sendo implementado na máquina de dureza Vickers equipada com uma câmera digital, que permitirá a captura on-line da identação da diagonal, auxiliando na análise do operador e obtendo resultados de medição de dureza Vickers.



  1. AGRADECIMENTOS

Ao Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará - CEFET CE, pelo apoio dado para a realização deste trabalho, em particular o Laboratório de Ensaios Mecânicos - LEM para realização dos ensaios metalográficos e a aquisição das imagens dos ferros fundidos, e ao Laboratório de Engenharia de Sistemas de Computação (LESC) do Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI), no qual desenvolvem-se pesquisas de otimização da análise de imagens utilizando Processamentos Digitais de Imagens e sistemas de Visão Computacional.





  1. BIBLIOGRAFIA

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2. SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5ª ed., São Paulo: Editora Edgard Blücher, 1982.
3. CALLISTER, W. Materials science and engineering: an introduction. USA: John Wiley and Sons, 2006.
4. ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 188, Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 1: Medição da dureza Vickers. Rio de Janeiro, 1999.
5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA. Laboratório de Resistência dos Materiais. Disponível em: http://www.lrm.ufjf.br/pdf/13vickers.pdf. Acesso em: 10 de dezembro de 2007.
6. LIANG, K. M., ORANGE, G. e FANTOZZI, G. Evaluation by indentation of fracture toughness of ceramic materials, Journal of Materials Science, Springer Netherlands, pp. 207-214, December 07, 2004
7. KOEPPEL, B. J. e SUBHASH, G. An Experimental Technique to Investigate the Dynamic Indentation Hardness of Materials, Experimental Techniques, Volume 21 Issue 3 Page 16-18, May 1997
8.ASTM E92-82(2003)e2 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials
9.ASTM E140-05e1, Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness, ASTM International / 01-Apr-2005 / 21 pages
10. GONZALEZ, R. C. e WOODS, R. Digital Image Processing. 2ª ed., EUA: Addison-Wesley Publishing Company, 2008.
11. ALBUQUERQUE, V. H. C. Caracterização da Grafita usando microfotografias. 2007, 90p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Teleinformática) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2007.
12. ALBUQUERQUE, V. H. C. de, TAVARES, J. M. R. S. e CORTEZ, P. C. Quantification of the Hipoeutectic Withe Cast Iron Microstructure from Images using Mathematical Morphology and an Artificial Neural Network, International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences (ICCES'08), 2008.
13.PRATT, W. K. Digital Image Processing: 3a ed, John Wiley & Sons, New York, USA, 2001.
14. BALLARD, D. H. e BROWN, C. M. Computer Vision. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1982.
15. BOTTINO, M. J. e CEBALLOS, J. C. Classificação de Cenas em Imagens Goes Multiespectrais Mediante um Método de "Agrupamento Dinâmico". Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos. CPTEC/INPE. Cachoeira Paulista, São Paulo, 2000.

SEMI-AUTOMATIC SYSTEM FOR MEASUREMENT OF HARDNESS VICKERS USING DIGITAL IMAGE PROCESSING TECHNIQUES


Abstract:


The mechanical tests for measurement of hardness are fundamental for the evaluation of the mechanical properties of metallic materials because, with these tests, one can determine the wear resistance of the material being analyzed, as well as approximate values of ductility, flow tension, among others. In this sense, the main objective of the present work was to develop and analyze a semi-automatic computational methodology based on Image Processing and Analysis techniques to determine the value of Vickers hardness from images. To validate the developed methodology, comparisons among the results obtained in 10 indentations were carried out, resorting to the conventional manual measurement. Through the analysis of the obtained results, one can resolve that, in relation to the conventional manual procedure, the semi-automatic measurement of Vickers hardness through the proposed methodology makes such testing faster and more accurate. Moreover, it eliminates subjective interpretations by the operator in the measurement process.


KEYWORDS: Mechanical test, Vickers hardness test and, Image Processing and Analysis.




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