Quantitative 3D-Gefügeanalyse — Stereologie oder Tomographie
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Alexandra Velichko
Kurzfassung
In der Materialforschung ist die dreidimensionale Ausprägung des Gefüges der Schlüssel zum Verständnis des Zusammenhanges zu den Herstellparametern einerseits und den Eigenschaften des Werkstoffs andererseits. Die prinzipielle Frage ist, ob es unbedingt nötig ist, alle Gefügemorphologien in 3D zu untersuchen, oder ob es ausreicht, bei den Gefügen die viel praktischere 2D-Bildanalyse zu nutzen und die 3D-Parameter nach stereologischen Beziehungen zu berechnen. Erwartungsgemäß gibt es bei der Vielfalt der Gefüge und den entsprechend komplexen Zusammenhängen keine generelle und einfache Antwort darauf. In diesem Beitrag wird am Beispiel der Korngrößenbeschreibung und damit verbundener Kennzahlen reflektiert, wann die 2D-Bildanalyse mit stereologischen Schätzungen zur 3D-Situation praktikable Ergebnisse liefert und wann die Gefügetomographie unbedingt nötig ist, um geeignete Informationen über das räumliche Gefüge zu gewinnen. Ausgehend von den bildfeldbezogenen vier Grundparametern des Gefüges wird dazu die Korngrößenbestimmung unter der Annahme von Kornformen mit zunehmender Komplexität (Kugel — äquiaxiale Polyeder — nichtäquiaxiale Polyeder — nichtkonvexe Kornformen) diskutiert. Es wird gezeigt, dass bei nicht konvexen unregelmäßigen Kornformen die 3D-Charakterisierung für sichere Klassifikationen und auch die Quantifizierung räumlicher Kenngrößen wie der Konnektivität oder der Teilchenzahl im Volumen unverzichtbar ist.
Abstract
In materials science the three-dimensional character of the structure is the key to understanding the relationships between the manufacturing parameters on the one hand and the properties of the material on the other hand. The basic question is whether it is absolutely necessary to examine all structural morphologies in 3D, or whether it is sufficient for the microstructures to use the much more practicable 2D image analysis and to calculate the 3D parameters based on stereological relations. As expected, in this great variety of structures and the correspondingly complex correlations, there is no universal and simple answer to this. Based on the example of the grain size description and related parameters, this article reflects on when the 2D image analysis with stereological estimates delivers viable results for the 3D situation and when the microstructural tomography is absolutely necessary in order to gain correct information about the spatial structure. In order to do so, the grain size determination will be discussed assuming grain shapes that gradually become more complex (sphere — equiaxial polyhedra — non-equiaxial polyhedra — non-convex grain shapes), based on the four basic microstructural field features. It will be shown that the 3D characterization of non-convex and irregular grain shapes is absolutely indispensable in order to reliably classify and also to quantify spatial parameters, as for example the connectivity or the number of the particles in the volume.
Literatur/References
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© 2008, Carl Hanser Verlag, München
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