DE102020103767A1

DE102020103767A1 - Apparatus and method for examining metallic samples

Info

Publication number: DE102020103767A1
Application number: DE102020103767.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Probst
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021160208A1

Abstract

Ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe (3) auf Einschlüsse (11), welches von der Bereitstellung eines Schliffbildes (Sb) der metallischen Probe (3) ausgeht, weist folgende Merkmale auf:- Erzeugen mehrerer virtueller Schnitte (Sv) virtueller Proben (Pv), indem per Monte-Carlo-Simulation Einschlüsse (Ev) in einem Volumen verteilt werden und anschließend mindestens eine Schnittebene durch das Volumen gelegt wird, wobei sich die verschiedenen virtuellen Proben (Pv) zumindest hinsichtlich der Größenverteilung ihrer Einschlüsse (Ev) voneinander unterscheiden,- Automatisches Vergleichen des Schliffbildes (Sb) mit mehreren der erzeugten, unterschiedlichen virtuellen Proben (Pv) zuzuordnenden virtuellen Schnitte (Sv),- Identifikation desjenigen virtuellen Schnittes (Sv), welcher die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild (Sb) aufweist und Zuordnung von Merkmalen der entsprechenden virtuellen Probe (Pv) zur metallischen Probe (3).A method for examining a metallic sample (3) for inclusions (11), which is based on the provision of a micrograph (Sb) of the metallic sample (3), has the following features: Generating several virtual sections (Sv) of virtual samples (Pv ), in that inclusions (Ev) are distributed in a volume using Monte Carlo simulation and then at least one cutting plane is laid through the volume, with the various virtual samples (Pv) differing from one another at least with regard to the size distribution of their inclusions (Ev), - Automatic comparison of the micrograph (Sb) with several of the generated, different virtual samples (Pv) to be assigned virtual sections (Sv), - Identification of that virtual section (Sv) which has the greatest correspondence with the micrograph (Sb) and assignment of features the corresponding virtual sample (Pv) to the metallic sample (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe auf Einschlüsse. Ebenso betrifft die Erfindung ein Untersuchungssystem zur Prüfung und Beurteilung einer metallischen Probe.The invention relates to a method for examining a metallic sample for inclusions. The invention also relates to an examination system for testing and assessing a metallic sample.

Die Norm ASTM E 45 stellt eine Standardmethode zur Bestimmung der nichtmetallischen Einschlüsse bei Stahl dar. Bei Einschlüssen kann es sich zum Beispiel um Oxide handeln. Die ASTM E 45 geht davon aus, dass die Proben als Längsschliff vorliegen, wobei die auszuwertende Schlifffläche parallel zur Verformungsrichtung des Stahls zu entnehmen ist. Es wird zwischen verschiedenen Einschlusstypen unterschieden. Unter anderem können Oxide entweder in Strichform oder als globulare Oxide vorliegen.The ASTM E 45 standard is a standard method for determining the non-metallic inclusions in steel. Inclusions can be oxides, for example. ASTM E 45 assumes that the samples are longitudinally ground, with the ground surface to be evaluated parallel to the deformation direction of the steel. A distinction is made between different types of inclusions. Among other things, oxides can be present either in line form or as globular oxides.

Hinsichtlich der mikroskopischen Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Einschlüsse wird ergänzend auf die Norm DIN 50602 hingewiesen. Gegenstand dieser Norm sind neben oxidischen Einschlüssen auch sulfidische Einschlüsse. Wertzahlangaben, die Informationen zu Einschlusstypen und -größen liefern, können entweder getrennt nach Oxiden und Sulfiden oder als Gesamtsummenkennwert angegeben werden.With regard to the microscopic examination of stainless steels for non-metallic inclusions, reference is also made to the DIN 50602 standard. In addition to oxide inclusions, this standard also covers sulfidic inclusions. Numbers of values that provide information on inclusion types and sizes can either be given separately for oxides and sulphides or as a total value.

Ein Verfahren zur Fremdphasenuntersuchung eines einkristallinen Substrats ist in der DE 10 2008 063 130 B4 beschrieben. Das Substrat wird hierbei mittels eines Abfragelichtstrahls mit einer Wellenlänge von höchstens 750 nm bestrahlt. Dem Abfragelichtstrahl ist eine optische Detektionseinrichtung zugeordnet, welche mit ihrer Beobachtungsebene auf einen Beobachtungsbereich innerhalb des Substrats fokussiert ist.A method for foreign phase examination of a single crystal substrate is disclosed in US Pat DE 10 2008 063 130 B4 described. The substrate is irradiated by means of an interrogation light beam with a wavelength of at most 750 nm. An optical detection device is assigned to the interrogation light beam, the observation plane of which is focused on an observation area within the substrate.

Die EP 0 264 813 B1 befasst sich mit der Voraussagung der übrigbleibenden Lebensdauer eines Metallmaterials. Hierbei werden Formen von Körnern des Metallmaterials quantitativ gemessen. Eine Vorhersage der restlichen Lebensdauer des Metallmaterials soll auf der Basis von Änderungen in den Formen der Körner erfolgen, wobei unter anderem ist die Auswertung von Längen/Breiten-Verhältnissen oder des Rundheitsgrades von Körnern vorgesehen ist.the EP 0 264 813 B1 deals with predicting the remaining life of a metal material. Here, shapes of grains of the metal material are measured quantitatively. A prediction of the remaining service life of the metal material is to be made on the basis of changes in the shape of the grains, whereby, among other things, the evaluation of length / width ratios or the degree of roundness of grains is provided.

Die DE 34 09 011 C2 offenbart ein metallographisches Untersuchungs-Verfahren zur Abbildung von Probeflächen an Bauteilen, welche auf Fehlstellen und Gefüge zu untersuchen sind. Die Probeflächen werden im Rahmen des Untersuchungs-Verfahrens unter anderem durch Schleifen und Polieren präpariert.the DE 34 09 011 C2 discloses a metallographic examination method for mapping sample areas on components which are to be examined for defects and structure. The test areas are prepared as part of the examination process, including grinding and polishing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Fortschritte gegenüber dem Stand der Technik bei der Untersuchung metallischer Proben auf Einschlüsse hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Prüfungsaufwand und Aussagekraft der Prüfung zu erzielen, wobei in einem Bauteil insbesondere Einschlüsse gegeben sein können, welche sich signifikant auf die mechanische Belastbarkeit des Bauteils auswirken.The invention is based on the object of making advances over the prior art in the examination of metallic samples for inclusions with regard to the relationship between the testing effort and the significance of the test, with inclusions in a component in particular, which have a significant impact on the mechanical load-bearing capacity of the component.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Untersuchung einer metallischen Probe auf Einschlüsse, insbesondere globulare Einschlüsse, gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein System zur Prüfung und Beurteilung einer metallischen Probe, das heißt Untersuchungssystem, gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Untersuchungssystem, das heißt der anspruchsgemäßen Vorrichtung, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Untersuchungsverfahren und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a method for examining a metallic sample for inclusions, in particular globular inclusions, according to claim 1. The object is also achieved by a system for testing and assessing a metallic sample, that is to say an examination system, according to claim 9 Embodiments and advantages of the invention explained in connection with the examination system, that is to say the device according to the claims, also apply mutatis mutandis to the examination method and vice versa.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass industriell hergestellte Stähle, beispielsweise Wälzlagerstähle, nichtmetallische Einschlüsse enthalten. Derartige Einschlüsse können, abhängig von ihrer Größe und Häufigkeit, die Beanspruchbarkeit eines Werkstücks signifikant herabsetzen. Dies gilt besonders in Fällen, in denen das mechanisch besonders stark belastete Volumen im Vergleich zur Größe der Einschlüsse nicht extrem groß ist. Um quantitative Aussagen über Belastungen in mechanisch beanspruchten Bauteilen treffen zu können, sind beispielsweise Finite Elemente Analysen durchführbar. Mit Hilfe solcher Analysen sind besonders beanspruchte Volumenbereiche innerhalb des Werkstücks identifizierbar, wobei beim Betrieb des Bauteils in den entsprechenden Bereichen auftretende mechanische Spannungen abschätzbar sind.The invention is based on the consideration that industrially produced steels, for example roller bearing steels, contain non-metallic inclusions. Such inclusions, depending on their size and frequency, can significantly reduce the load-bearing capacity of a workpiece. This is especially true in cases in which the mechanically particularly heavily loaded volume is not extremely large compared to the size of the inclusions. In order to be able to make quantitative statements about the loads in mechanically stressed components, finite element analyzes can be carried out, for example. With the help of such analyzes, particularly stressed volume areas within the workpiece can be identified, it being possible to estimate mechanical stresses occurring in the corresponding areas during operation of the component.

Einschlüsse, welche die Belastbarkeit des Bauteils herabsetzen, können in dem Bauteil statistisch verteilt sein. Selbst in Fällen, in denen die Verteilung von Einschlüssen nicht ausschließlich statistischen Regeln folgt, sondern zum Beispiel von Fertigungsgegebenheiten abhängt, können mit statistischen Methoden sinnvolle Aussagen über die Herabsetzung der Belastbarkeit durch Einschlüsse getroffen werden.Inclusions that reduce the load-bearing capacity of the component can be statistically distributed in the component. Even in cases in which the distribution of inclusions does not exclusively follow statistical rules, but depends, for example, on manufacturing conditions, statistical methods can be used to make meaningful statements about the reduction in load-bearing capacity due to inclusions.

Ausgehend von diesen Überlegungen umfasst das Untersuchungsverfahren, welches auf der Bereitstellung eines Schliffbildes einer realen metallischen Probe basiert, folgende Merkmale:

- Mehrere virtuelle Schnitte virtueller Proben werden erzeugt, indem mittels einer Monte-Carlo-Simulation Einschlüsse in einem Volumen, welches dem zu betrachtenden, mechanisch besonders belasteten Bauteilvolumen entspricht, verteilt werden und anschließend mindestens eine Schnittebene durch das Volumen gelegt wird, wobei sich die einzelnen virtuellen Proben zumindest hinsichtlich der Größenverteilung ihrer Einschlüsse voneinander unterscheiden,
- Das reale Schliffbild wird automatisch mit mehreren der erzeugten, unterschiedlichen virtuellen Proben zuzuordnenden virtuellen Schnitte verglichen,
- derjenige virtuelle Schnitt, welcher die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild aufweist, wird automatisch identifiziert, womit eine Zuordnung von Merkmalen der entsprechenden virtuellen Probe zur metallischen Probe vorgenommen wird.

Based on these considerations, the examination method, which is based on the provision of a micrograph of a real metallic sample, includes the following features:

- Several virtual sections of virtual samples are generated by using a Monte Carlo simulation to distribute inclusions in a volume that corresponds to the mechanically particularly stressed component volume to be considered and then at least one cutting plane is laid through the volume, whereby the individual virtual samples differ from one another at least with regard to the size distribution of their inclusions,
- The real micrograph is automatically compared with several of the generated, different virtual samples to be assigned virtual sections,
- That virtual section which has the greatest correspondence with the micrograph is automatically identified, which means that features of the corresponding virtual sample are assigned to the metallic sample.

Was das prinzipiell bekannte Simulationsverfahren „Monte-Carlo-Simulation“ betrifft, wird beispielhaft auf die Dokumente DE 100 50 280 A1 und WO 2014/009384 A2 hingewiesen. Im letztgenannten Dokument, welches ein Verfahren zur Identifizierung und Diskriminierung von heterogenen Materialien beschreibt, wird die Optimierung von Soll-Signaturen von Materialien mittels Monte-Carlo-Algorithmus vorgeschlagen.As far as the “Monte Carlo simulation”, which is known in principle, is concerned, reference is made to the documents as an example DE 100 50 280 A1 and WO 2014/009384 A2 pointed out. In the last-mentioned document, which describes a method for identifying and discriminating heterogeneous materials, the optimization of target signatures of materials using the Monte Carlo algorithm is proposed.

Theoretische Grundlagen der Monte Carlo Simulation wurden bereits im Jahr 1953 von Nicholas Metropolis et al. in „Equation of State Calculations by Fast Computing Machines“ (J. Chem. Phys. 21, 1087) dargelegt.Theoretical foundations of the Monte Carlo simulation were already published in 1953 by Nicholas Metropolis et al. in “Equation of State Calculations by Fast Computing Machines” (J. Chem. Phys. 21, 1087).

Allgemein wird bei einer Monte Carlo Simulation eine Vielzahl von Vorgängen theoretisch durchgespielt, wobei Eingangsgrößen der zu betrachtenden, virtuellen Vorgänge zufällig oder quasi zufällig ausgewählt werden. In der Teilchenphysik kann es sich bei den Eingangsgrößen beispielsweise um Bewegungszustände von Teilchen, welche mit in einem bestimmten Volumen angeordneter Materie wechselwirken, handeln. Je größer die Anzahl betrachteter Einzelvorgänge ist, desto präzisere Aussagen sind typischerweise mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation herleitbar, wobei die entsprechenden Aussagen aufgrund der Komplexität des betrachteten Systems mit geschlossenen mathematischen Ansätzen nicht gewinnbar wären.In general, a large number of processes are theoretically run through in a Monte Carlo simulation, with input variables of the virtual processes to be considered being selected randomly or quasi randomly. In particle physics, the input variables can be, for example, states of motion of particles that interact with matter arranged in a certain volume. The greater the number of individual processes considered, the more precise statements can typically be derived with the help of a Monte Carlo simulation, whereby the corresponding statements could not be obtained with closed mathematical approaches due to the complexity of the system under consideration.

Im vorliegenden Fall wird im Rahmen der Monte Carlo Simulation jede virtuelle Probe aufgebaut, indem in das vorgegebene Volumen, beispielsweise einen Würfel mit vorgegebener Kantenlänge, mehrere Einschlüsse „eingesetzt“ werden, wobei als Verteilungsparamater, welche der Monte Carlo Simulation zugrunde gelegt werden, beispielsweise arithmetische Mittelwerte und Standardabweichungen, jeweils bezogen auf Abmessungen der Einschlüsse, zu nennen sind.In the present case, each virtual sample is constructed within the framework of the Monte Carlo simulation by “inserting” several inclusions into the specified volume, for example a cube with a specified edge length, with arithmetic, for example, as the distribution parameters on which the Monte Carlo simulation is based Mean values and standard deviations, each related to the dimensions of the inclusions, are to be mentioned.

Was die Geometrie der Einschlüsse betrifft, existieren keine prinzipiellen Einschränkungen, wobei statt Einschlüssen grundsätzlich auch Hohlräume betrachtet werden können. Insbesondere können Einschlüsse beziehungsweise Poren der virtuellen Probe definitionsgemäß eine globulare, das heißt kugelförmige, Gestalt haben. Je nach Form der Einschlüsse, welche in der realen Probe vorhanden sind, kann abweichend hiervon zum Beispiel auch die Betrachtung nadelförmiger oder plättchenförmiger Einschlüsse zweckmäßig sein. Die Betrachtung vollständig homogen verteilter Bestandteile, etwa Legierungsbestandteile, ist dagegen nicht Gegenstand der Monte Carlo Simulation.As far as the geometry of the inclusions is concerned, there are no fundamental restrictions, although cavities can also be considered instead of inclusions. In particular, inclusions or pores of the virtual sample can, by definition, have a globular, that is to say spherical, shape. Depending on the shape of the inclusions that are present in the real sample, it may also be useful to consider needle-shaped or platelet-shaped inclusions, for example. The consideration of completely homogeneously distributed components, such as alloy components, on the other hand, is not the subject of the Monte Carlo simulation.

Im Fall kugelförmiger Einschlüsse, welche im virtuellen Probenvolumen positioniert werden, wird durch die Durchmesser der Einschlüsse beispielsweise eine Normalverteilung, das heißt Gaußverteilung, beschrieben. Auch andere Verteilungen, beispielsweise eine Gleichverteilung mit einem gegebenen Minimalwert und Maximalwert des Durchmessers, sind wählbar.In the case of spherical inclusions which are positioned in the virtual sample volume, the diameter of the inclusions describes, for example, a normal distribution, that is to say Gaussian distribution. Other distributions, for example a uniform distribution with a given minimum value and maximum value of the diameter, can also be selected.

Was die Anordnung der Einschlüsse in der virtuellen Probe betrifft, wird in der Regel von einer Gleichverteilung innerhalb des Probenvolumens ausgegangen. Jedoch kann auch bezüglich der Platzierung der Einschlüsse eine abweichende Charakteristik der Verteilung sinnvoll sein. So kann beispielsweise in der realen Probe eine Häufung von Einschlüssen in Oberflächennähe gegeben sein. Umgekehrt ist es auch möglich, dass oberflächennahe Bereiche der metallischen Probe verarmte Bereiche, was die Häufigkeit von Einschlüssen betrifft, darstellen. In beiden Fällen kann diesen realen Gegebenheiten durch eine entsprechende Häufigkeitsverteilung von Einschlüssen in der virtuellen Probe Rechnung getragen werden.As far as the arrangement of the inclusions in the virtual sample is concerned, a uniform distribution within the sample volume is generally assumed. However, with regard to the placement of the inclusions, a different characteristic of the distribution can also be useful. For example, there may be an accumulation of inclusions near the surface in the real sample. Conversely, it is also possible for regions of the metallic sample close to the surface to represent depleted regions with regard to the frequency of inclusions. In both cases, these real conditions can be taken into account by a corresponding frequency distribution of inclusions in the virtual sample.

Unabhängig von eventuellen Unterschieden der Häufigkeit von Einschlüssen zwischen verschiedenen Teilvolumina des Probenvolumens sowie von der Größenverteilung der Einschlüsse wird bei der Platzierung einzelner virtueller Einschlüsse in bevorzugter Verfahrensführung eine Kollisionsprüfung durchgeführt. Dies kann zum Beispiel erfolgen, indem nach der Verteilung einer Anzahl von Einschlüssen im Volumen der virtuellen Probe, das heißt nach der Platzierung mindestens eines Einschlusses, der nächste Einschluss gemäß Vorgaben der Monte-Carlo-Simulation zunächst unabhängig von den bereits festgelegten Einschlüssen in das Volumen eingefügt wird. Im Anschluss hieran wird eine Kollisionsprüfung durchgeführt, wobei im Fall einer festgestellten Kollision des zuletzt hinzugefügten Einschlusses mit bereits vorhandenen Einschlüssen die im letzten Schritt getätigte Einfügung rückgängig gemacht wird. Regardless of any differences in the frequency of inclusions between different partial volumes of the sample volume as well as the size distribution of the inclusions, a collision check is carried out when placing individual virtual inclusions in a preferred procedure. This can be done, for example, after the distribution of a number of inclusions in the volume of the virtual sample, i.e. after the placement of at least one inclusion, the next inclusion according to the specifications of the Monte Carlo simulation initially independently of the already defined inclusions in the volume is inserted. A collision check is then carried out, with the insertion made in the last step being reversed if a collision between the last added inclusion and existing inclusions is found.

Werden statt Einschlüssen Ausnehmungen im virtuellen Probenvolumen verteilt, so ist auch eine Generierung der virtuellen Probe ohne Kollisionsprüfung möglich, wobei sich in diesem Fall komplex geformte Ausnehmungen, die in einer realen Probe nicht oder nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind, ergeben können. Insbesondere bei einer geringen Häufigkeit von Ausnehmungen ist eine solche, möglicherweise mit Verfälschungen behaftete virtuelle Probe dennoch im Rahmen des beanspruchten Verfahrens nutzbar.If, instead of inclusions, recesses are distributed in the virtual sample volume, the virtual sample can also be generated without a collision check, which in this case becomes complex shaped recesses that are not to be expected in a real sample or are to be expected only with a very low probability. In particular if there is a low frequency of recesses, such a virtual sample, possibly afflicted with falsifications, can nevertheless be used within the scope of the claimed method.

Was die Verfahrensschritte „Erzeugen virtueller Proben“ und „Vergleichen virtueller Proben mit dem Schliffbild“ betrifft, sind verschiedene Verfahrensvarianten möglich:

Zum einen ist es möglich, zunächst sämtliche virtuelle Proben zu generieren, und erst im Anschluss Vergleiche mit dem tatsächlichen Schliffbild vorzunehmen. Aus den virtuellen Proben wird mittels dieser Vergleiche diejenige virtuelle Probe ausgewählt, deren Schnitt, welcher als virtuelles Schliffbild zu verstehen ist, am meisten Ähnlichkeiten mit dem realen Schliffbild aufweist.

With regard to the process steps "creating virtual samples" and "comparing virtual samples with the micrograph", different process variants are possible:

On the one hand, it is possible to first generate all virtual samples and only then to make comparisons with the actual micrograph. From the virtual samples, by means of these comparisons, that virtual sample is selected whose section, which is to be understood as a virtual micrograph, has the most similarities with the real micrograph.

In alternativer, bevorzugter Verfahrensführung wird die Monte Carlo Simulation dagegen iterativ durchgeführt. Hierbei werden Parameter zur Generierung virtueller Proben in Abhängigkeit von bereits durchgeführten Vergleichen zwischen virtuellen Proben und dem tatsächlichen Schliffbild festgelegt. Durch Modifikation der Parameter wird eine sukzessive Annäherung der virtuellen Probe an das Schliffbild erreicht.In an alternative, preferred method, the Monte Carlo simulation is carried out iteratively. Here, parameters for generating virtual samples are defined as a function of comparisons that have already been carried out between virtual samples and the actual micrograph. By modifying the parameters, the virtual sample is gradually approximated to the micrograph.

Auch Mischformen dieser beiden Verfahrensvarianten sind möglich. Hierbei wird zunächst eine Gruppe sich voneinander unterscheidender virtueller Proben generiert, wobei jede dieser virtuellen Proben mit dem realen Schliffbild verglichen wird. Diese Auswertung wird genutzt, um eine weitere Gruppe an virtuellen Proben zu generieren, wobei auch in diesem Fall Unterschiede zwischen den einzelnen virtuellen Proben existieren. Die Unterschiede zwischen den einzelnen virtuellen Proben sind, wie bei jedem Durchgang der Simulation, hauptsächlich auf unterschiedliche Einstellungen der Monte Carlo Simulation zurückzuführen. Darüber hinaus können Unterschiede zwischen einzelnen virtuellen Proben auftreten, welche sich zufallsbedingt oder quasi zufällig selbst bei einheitlicher Einstellung der Parameter der Monte Carlo Simulation ergeben. Ziel der Variation der Parameter der Monte Carlo Simulation bei jedem Durchgang der Simulation ist eine schrittweise Angleichung der Gestalt der virtuellen Probe an die reale Probe.Mixed forms of these two process variants are also possible. In this case, a group of virtual samples that differ from one another is first generated, each of these virtual samples being compared with the real micrograph. This evaluation is used to generate a further group of virtual samples, with differences between the individual virtual samples also in this case. As with every run of the simulation, the differences between the individual virtual samples are mainly due to different settings of the Monte Carlo simulation. In addition, there may be differences between individual virtual samples, which arise as a result of chance or quasi-chance even with uniform setting of the parameters of the Monte Carlo simulation. The aim of varying the parameters of the Monte Carlo simulation with each run of the simulation is a step-by-step adaptation of the shape of the virtual sample to the real sample.

Zur Durchführung der Vergleiche zwischen virtuellen Proben und tatsächlicher Probe, von welcher das Schliffbild stammt, sind besonders Methoden der künstlichen Intelligenz geeignet, wie sie prinzipiell aus dem Bereich der Bildauswertung, insbesondere in der Medizintechnik, bekannt sind. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente DE 10 2017 221 924 B3 und WO 2019/020259 A1 hingewiesen.In order to carry out the comparisons between virtual samples and the actual sample from which the micrograph originates, methods of artificial intelligence are particularly suitable, as they are known in principle from the field of image evaluation, in particular in medical technology. In this context, reference is made to the documents as an example DE 10 2017 221 924 B3 and WO 2019/020259 A1 pointed out.

Mit Mitteln der künstlichen Intelligenz ist es möglich, eine große Zahl an Einzelfällen automatisiert auszuwerten, was Eingriffe des Benutzers in die Auswertung nicht ausschließt. Dementsprechend können in ein im Rahmen des anmeldungsgemäßen Untersuchungsverfahrens auszuführendes Computerprogramm, welches künstliche Intelligenz beinhaltet, auch Einschätzungen des Benutzers, was die Ähnlichkeit verschiedener Bilder, hier Schliffbilder beziehungsweise virtuelle Schnitte, betrifft, einfließen. Dies erfolgt, indem der Benutzer selbst Beurteilungen vornimmt, inwieweit verschiedene virtuelle Schnitte Ähnlichkeiten mit einem realen Schliffbild aufweisen. Im einfachsten Fall wird durch den Benutzer lediglich eine binäre Unterscheidung vorgenommen. Das heißt, dass der Benutzer lediglich angibt, ob die einem virtuellen Bild entnehmbaren Merkmale mit den Merkmalen des realen Schliffbildes übereinstimmen oder signifikante Unterschiede vorliegen. In verfeinerten Varianten kann der Grad der Übereinstimmung zwischen realen und computergenerierten Bildern in mehreren Stufen angegeben werden.With the help of artificial intelligence, it is possible to automatically evaluate a large number of individual cases, which does not rule out user intervention in the evaluation. Accordingly, in a computer program to be executed within the scope of the examination method according to the application and which contains artificial intelligence, assessments by the user regarding the similarity of different images, here micrographs or virtual sections, can be incorporated. This is done in that the user himself makes assessments to what extent different virtual sections have similarities with a real micrograph. In the simplest case, the user only makes a binary distinction. This means that the user only indicates whether the features that can be derived from a virtual image match the features of the real micrograph or whether there are significant differences. In refined variants, the degree of correspondence between real and computer-generated images can be specified in several stages.

Ebenso sind Verfahrensvarianten realisierbar, in welchen die Ähnlichkeit zwischen realen und virtuellen Schliffen beziehungsweise Schnitten ausschließlich computerbasiert ausgewertet wird. Bei jeder Art der Auswertung kann die Anzahl der virtuellen Proben, welche im Laufe des Verfahrens generiert wird, bei jeder Iteration der Simulation unterschiedlich sein, insbesondere von Durchgang zu Durchgang der Simulation abnehmen. Die Parameter, mit welchen die Einschlüsse in den virtuellen Proben generiert werden, können in den aufeinanderfolgenden Iterationsstufen eingeengt und/oder verschoben werden.Process variants can also be implemented in which the similarity between real and virtual cuts or cuts is evaluated exclusively using a computer. In each type of evaluation, the number of virtual samples that is generated in the course of the method can be different for each iteration of the simulation, in particular it can decrease from run to run of the simulation. The parameters with which the inclusions are generated in the virtual samples can be narrowed and / or shifted in the successive iteration stages.

Was die Größenverteilung der virtuellen Einschlüsse betrifft, sind verschiedenste Verteilungen möglich. Neben einer Gaußverteilung ist beispielhaft eine logarithmische Normalverteilung, eine Gleichverteilung innerhalb festgesetzter Grenzen, eine Weibull-Verteilung, sowie eine Pareto-Verteilung zu nennen. Ebenso sind sonstige Verteilungen, welche insbesondere in Form eines Histogramms darstellbar sind, möglich. Sofern die Einschlüsse keine Kugelform aufweisen, ist zusätzlich zur Einschlussgröße auch die Form der Einschlüsse in vielfältiger Weise variierbar. Auch eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Zusammensetzungen von Einschlüssen, sofern eine solche Unterscheidung auf Basis des Schliffbildes getroffen werden kann, ist prinzipiell möglich.As far as the size distribution of the virtual inclusions is concerned, a wide variety of distributions are possible. In addition to a Gaussian distribution, examples include a logarithmic normal distribution, a uniform distribution within fixed limits, a Weibull distribution and a Pareto distribution. Other distributions, which can be displayed in particular in the form of a histogram, are also possible. If the inclusions do not have a spherical shape, the shape of the inclusions can also be varied in many ways in addition to the inclusion size. A distinction between different compositions of inclusions is also possible in principle, provided that such a distinction can be made on the basis of the micrograph.

Insgesamt liefert das anmeldungsgemäße Verfahren, indem eine virtuelle Probe zur Verfügung gestellt wird, deren Schnitt mit einem tatsächlichen Schliffbild einer metallischen Probe weitgehend übereinstimmt, belastbare Informationen über den wahrscheinlichen Aufbau der metallischen Probe auch außerhalb der betrachteten Ebene, das heißt der Ebene, in welcher das Schliffbild liegt, beziehungsweise durch welche der Schnitt gelegt ist.Overall, the method according to the application provides, in that a virtual sample is made available, the section of which with an actual sample The microsection of a metallic sample largely coincides with reliable information about the likely structure of the metallic sample also outside the plane under consideration, i.e. the plane in which the microsection lies or through which the section is made.

Die Vorrichtung zur Prüfung und Beurteilung der metallischen Probe, das heißt das Untersuchungssystem, umfasst folgende Komponenten:

- Einen Untersuchungsplatz, das heißt Prüfplatz, zur optischen Erfassung eines Schliffbildes der metallischen Probe,
- einen Simulator zur Generierung virtueller Proben einschließlich zugehöriger Schnitte,
- einen Komparator zum Vergleichen der virtuellen Probe mit dem Schliffbild.

The device for testing and assessing the metallic sample, i.e. the examination system, comprises the following components:

- An examination station, i.e. a test station, for the optical acquisition of a micrograph of the metallic sample,
- a simulator for generating virtual samples including associated sections,
- A comparator for comparing the virtual sample with the micrograph.

Hierbei ist der Simulator dazu ausgebildet, eine Mehrzahl an virtuellen Proben zu generieren, welche sich hinsichtlich in der Probe vorhandener Einschlüsse voneinander unterscheiden. Der Komparator ist dazu ausgebildet, den Grad der Übereinstimmung verschiedener Schnitte von virtuellen Proben mit dem Schliffbild festzustellen und diejenige virtuelle Probe, welche die größte Übereinstimmung mit dem Schliffbild aufweist, zu identifizieren. Die Funktionen des Simulators sowie des Komparators können dabei durch eine gemeinsame Datenverarbeitungseinheit oder durch getrennte Einheiten realisiert sein. Mit dem Komparator kann eine Auswerteeinheit verknüpft sein, welche zur Herleitung statistischer Aussagen über ein Bauteilversagen in Abhängigkeit von den mit Hilfe der Simulation ermittelten Merkmalen der metallischen Probe ausgebildet ist. Auch die Auswerteeinheit ist, entsprechend dem Simulator sowie Komparator, nicht notwendigerweise als im physikalischen Sinne eigenständige Einheit ausgeführt.In this case, the simulator is designed to generate a plurality of virtual samples which differ from one another with regard to the inclusions present in the sample. The comparator is designed to determine the degree of correspondence between different sections of virtual samples and the micrograph and to identify the virtual sample which has the greatest agreement with the micrograph. The functions of the simulator and the comparator can be implemented by a common data processing unit or by separate units. An evaluation unit can be linked to the comparator, which is designed to derive statistical statements about a component failure as a function of the features of the metallic sample determined with the aid of the simulation. Similarly to the simulator and comparator, the evaluation unit is not necessarily designed as an independent unit in the physical sense.

Die Auswerteeinheit ist beispielsweise nutzbar, um auf Basis einer bereits vorhandenen Bauteilfestigkeitsberechnung und der durchgeführten Monte Carlo Simulation statistische Aussagen über eine mögliche Reduktion der Bauteilfestigkeit aufgrund von Einschlüssen treffen. Geht man zum Beispiel davon aus, dass ein mechanisch hoch beanspruchtes Volumen von 3 mm³ vorliegt, könnte sich durch eine mit bekannten Methoden durchführbare Bauteilfestigkeitsberechnung ergeben, dass Einschlüsse ab einer Größe von 120 µm die Belastbarkeit signifikant reduzieren.The evaluation unit can be used, for example, to make statistical statements about a possible reduction in component strength due to inclusions on the basis of an existing component strength calculation and the Monte Carlo simulation that has been carried out. Assuming, for example, that there is a mechanically highly stressed volume of 3 mm ³ , a component strength calculation that can be carried out using known methods could show that inclusions from a size of 120 µm significantly reduce the load capacity.

Ferner wird angenommen, dass durch die Monte Carlo Simulation in diesem Fall ermittelt wurde, dass eine Einschlussdichte von zwei Einschlüssen pro mm² zu erwarten ist und der Anteil an Einschlüssen mit einem Durchmesser von mindestens 120 µm 0,5% beträgt. Eine vereinfachte statistische Abschätzung ergibt unter diesen Prämissen, dass im hoch beanspruchten Volumen im Mittel sechs Einschlüsse zu erwarten sind, von denen 0,5% die kritische Größe überschreiten, so dass das Risiko einer signifikant reduzierten Bauteilfestigkeit ca. 3% beträgt.It is also assumed that the Monte Carlo simulation determined in this case that an inclusion density of two inclusions per mm ^{2 is} to be expected and the proportion of inclusions with a diameter of at least 120 μm is 0.5%. Under these premises, a simplified statistical estimate shows that an average of six inclusions can be expected in the highly stressed volume, of which 0.5% exceed the critical size, so that the risk of a significantly reduced component strength is approx. 3%.

Eine verfeinerte Auswertung der Monte Carlo Simulation sieht vor, dass nicht nur diejenige virtuelle Probe betrachtet wird, welche die beste Übereinstimmung mit dem realen Schliffbild aufweist, sondern zusätzlich weitere virtuelle Proben in die Auswertung einbezogen werden, welche eine geringfügig niedrigere Übereinstimmung mit der tatsächlichen, metallischen Probe aufweisen. Innerhalb der somit gebildeten Gruppe virtueller Proben wird jeder virtuellen Probe ein Wahrscheinlichkeitswert zugeordnet, der die Wahrscheinlichkeit der Übereinstimmung mit der tatsächlichen Probe angibt, wobei die Summe sämtlicher Wahrscheinlichkeitswerte 1 ergibt. Die Wahrscheinlichkeitswerte werden in Abhängigkeit davon vergeben, wie groß die durch Bildauswertung festgestellten Unterschiede zwischen dem virtuellen Schnitt einer jeden virtuellen Probe und dem Schliffbild sind. Dabei erhält diejenige virtuelle Probe den höchsten Wahrscheinlichkeitswert, bei der die geringsten Unterschiede zur realen Probe feststellbar sind.A refined evaluation of the Monte Carlo simulation provides that not only that virtual sample is considered which shows the best agreement with the real micrograph, but also that further virtual samples are included in the evaluation that have a slightly lower agreement with the actual, metallic one Have sample. Within the group of virtual samples thus formed, each virtual sample is assigned a probability value which indicates the probability of the match with the actual sample, the sum of all probability values being 1. The probability values are assigned as a function of how great the differences between the virtual section of each virtual sample and the microsection are determined by image evaluation. The virtual sample receives the highest probability value for which the smallest differences to the real sample can be determined.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils grob vereinfacht oder aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert:

1 ein Untersuchungssystem in symbolisierter Darstellung,
2 eine virtuelle Probe, von welcher im Untersuchungssystem Gebrauch gemacht wird,
3 in einem Diagramm den Zusammenhang zwischen Einschlussgröße und mechanischer Beanspruchbarkeit eines Werkstücks,
4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines mit dem Untersuchungssystem durchführbaren Verfahrens,
5 reale und simulierte Verteilungsfunktionen, Einschlussgrößen in der tatsächlichen beziehungsweise virtuellen Probe betreffend,

An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show here, in some cases roughly simplified or idealized for reasons of clarity:

1 an examination system in a symbolized representation,
2 a virtual sample that is used in the examination system,
3 in a diagram the relationship between the size of inclusions and the mechanical strength of a workpiece,
4th a flow chart to explain a method that can be carried out with the examination system,
5 real and simulated distribution functions, inclusion sizes in the actual or virtual sample,

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Untersuchungssystem ist speziell auf Untersuchungen hinsichtlich kugelförmiger Einschlüsse 11 abgestimmt. A total of the reference number 1 The marked examination system is specially designed for examinations of spherical inclusions 11 Voted.

Hierbei wird davon ausgegangen, dass in einer tatsächlichen, metallischen Probe 3, welche im Ausführungsbeispiel auf einem Tisch 4 angeordnet ist, hauptsächlich globulare, das heißt kugelförmige Einschlüsse 11 von praktischer Relevanz sind. Der Tisch 4 ist einem Prüfplatz 2 zur Untersuchung der Probe 3 zuzurechnen.It is assumed here that in an actual, metallic sample 3 , which in the exemplary embodiment on a table 4th is arranged, mainly globular, i.e. spherical inclusions 11 are of practical relevance. The table 4th is a test station 2 to examine the sample 3 attributable.

Die Probe 4 wird in an sich bekannter Weise präpariert, um ein Schliffbild Sb zu erhalten. Ein optisches Analysesystem 5, welches zur Erfassung des Schliffbildes Sb verwendet wird, ist über Datenverbindungen 6 mit weiteren Komponenten 8, 9 10 eines Datenverarbeitungssystems 7 des Untersuchungssystems 1 verknüpft. Bei den Komponenten 8, 9, 10, welche nicht notwendigerweise physikalisch voneinander oder von dem optischen Analysesystem 5 getrennt sind, handelt es sich um einen Simulator 8, einen Komparator 9 und eine Auswerteeinheit 10.The sample 4th is prepared in a manner known per se to create a micrograph Sb to obtain. An optical analysis system 5 , which is used to capture the micrograph Sb used is over data links 6th with other components 8th , 9 10 of a data processing system 7th of the investigation system 1 connected. With the components 8th , 9 , 10 which are not necessarily physically from each other or from the optical analysis system 5 are separated, it is a simulator 8th , a comparator 9 and an evaluation unit 10 .

Das Untersuchungssystem 1 ist dazu ausgebildet, Merkmale der tatsächlichen Probe 3 mit Merkmalen zahlreicher virtueller Proben Pv, welche mittels des Simulators 8 generiert werden, zusammenzuführen, wobei letztlich eine optimierte virtuelle Probe Pv Aufschluss über Merkmale der Probe 3 gibt, welche sich nicht direkt aus dem Schliffbild Sb ergeben.The investigation system 1 is designed to identify features of the actual sample 3 with features of numerous virtual samples Pv , which by means of the simulator 8th are generated, merge, with ultimately an optimized virtual sample Pv Information about the characteristics of the sample 3 there are which cannot be seen directly from the micrograph Sb result.

Die prinzipielle Gestalt einer virtuellen Probe Pv ist in 2 veranschaulicht. Erkennbar sind mehrere virtuelle Einschlüsse Ev unterschiedlicher Größe. Ferner ist eine virtueller Schnitt Sv eingezeichnet, der einzelne der virtuellen Einschlüsse Ev schneidet und eine Simulation des Schliffbildes Sb darstellt. Die virtuelle Probe hat im vorliegenden Fall eine Würfelform, welche sich aus vorangegangenen Festigkeitsberechnungen ergibt. Mit dem Würfel wird dasjenige Volumenelement des Bauteils, aus dem die Probe 3 entnommen wurde, dargestellt, welches unter realen Betriebsbedingungen besonders hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Bei dem Bauteil handelt es sich im betrachteten Beispiel um ein Wälzlagerbauteil, welches insbesondere Überrollbelastungen ausgesetzt ist.The basic shape of a virtual sample Pv is in 2 illustrated. Several virtual inclusions can be seen Possibly different size. There is also a virtual cut Sv drawn in, the single one of the virtual inclusions Possibly cuts and a simulation of the micrograph Sb represents. In the present case, the virtual sample has a cube shape, which results from previous strength calculations. The cube becomes that volume element of the component from which the sample 3 which is exposed to particularly high mechanical loads under real operating conditions. In the example under consideration, the component is a roller bearing component which is particularly exposed to rollover loads.

Zusätzlich zur Identifikation des besonders beanspruchten Bauteilvolumens wurden in einem vorgelagerten Schritt auch Zusammenhänge zwischen eventuellen Einschlüssen im Bauteilvolumen und der Bauteilfestigkeit ermittelt. Diese Zusammenhänge sind in 3 visualisiert: Je größer eine reale Einschlussgröße EGr ist, welche im Bauteilvolumen zu finden ist, um so geringer ist die allgemein mit Bm bezeichnete mechanische Beanspruchung, der das Bauteil maximal ausgesetzt werden darf. Treten beispielsweise Einschlüsse 11 mit einer Größe bis zu einer kritischen Einschlussgröße Ekr auf, so bedeutet dies, dass nur noch eine reduzierte Beanspruchung Br zulässig ist. Extrem kleine Einschlüsse 11 beeinflussen die mechanische Belastbarkeit, wie aus 3 weiter hervorgeht, praktisch nicht. Umgekehrt schließen zu große Einschlüsse 11 jegliche Verwendung des Bauteils aus. Der in 3 dargestellte Zusammenhang ist von der Bauteilgeometrie sowie von den Belastungsarten abhängig.In addition to the identification of the particularly stressed component volume, relationships between possible inclusions in the component volume and the component strength were determined in a preceding step. These relationships are in 3 visualized: the larger a real inclusion size EGr which is to be found in the component volume, the lower the mechanical stress, generally referred to as Bm, to which the component may be exposed to the maximum. For example, inclusions occur 11 with a size up to a critical inclusion size Ekr on, it means that only a reduced stress Br is permissible. Extremely small inclusions 11 affect the mechanical strength, as out 3 further shows, practically not. Conversely, inclusions that are too large close 11 any use of the component. The in 3 The relationship shown depends on the component geometry and the types of load.

Mit dem Untersuchungssystem 1 ist das in 4 skizzierte Verfahren durchführbar. Der Start dieses Verfahrens zur Untersuchung der metallischen Probe 3 ist als Verfahrensstart S1 bezeichnet. Im Verfahrensschritt S2, welcher durch das Datenverarbeitungssystem 7 durchgeführt wird, werden Parameter festgesetzt, die sich auf die Verteilung von Einschlüssen im Probenvolumen beziehen. Dies beinhaltet die Größenverteilung der virtuellen Einschlüsse Ev sowie die Dichte der Einschlüsse Ev, das heißt die mittlere Anzahl an Einschlüssen Ev pro Volumeneinheit.With the investigation system 1 is that in 4th outlined procedures feasible. The start of this procedure for examining the metallic sample 3 is the start of the procedure S1 designated. In the process step S2 , which through the data processing system 7th is carried out, parameters are set that relate to the distribution of inclusions in the sample volume. This includes the size distribution of the virtual inclusions Possibly as well as the density of the inclusions Possibly , that is, the mean number of inclusions Possibly per volume unit.

Im folgenden Verfahrensschritt S3 werden zahlreiche Einschlüsse Ev per Monte Carlo Simulation in der virtuellen Probe Pv verteilt. Im Ausführungsbeispiel werden in der virtuellen Probe Pv ausschließlich kugelförmige Einschlüsse Ev positioniert. Die Durchmesser der zahlreichen virtuellen Einschlüsse Ev beschreiben zum Beispiel eine Normalverteilung, das heißt Gauß-Verteilung. Prinzipiell kann auch von anderen Verteilungen, beispielsweise einer Gleichverteilung der Durchmesser innerhalb bestimmter Grenzen, ausgegangen werden. In jedem Fall wird, ausgehend von der angenommenen Verteilung, der Durchmesser eines jeden Einschlusses Ev per Monte Carlo Simulation, das heißt quasi zufällig, ermittelt. Ebenso wird per Monte Carlo Simulation die Anordnung eines jeden virtuellen Einschlusses Ev innerhalb der virtuellen Probe Pv vorgenommen.In the following process step S3 become numerous inclusions Possibly via Monte Carlo simulation in the virtual sample Pv distributed. In the exemplary embodiment, in the virtual sample Pv exclusively spherical inclusions Possibly positioned. The diameters of the numerous virtual inclusions Possibly describe, for example, a normal distribution, i.e. Gaussian distribution. In principle, it is also possible to assume other distributions, for example an even distribution of the diameters within certain limits. In each case, based on the assumed distribution, the diameter of each inclusion becomes Possibly determined by a Monte Carlo simulation, i.e. almost randomly. The arrangement of each virtual inclusion is also made using a Monte Carlo simulation Possibly within the virtual sample Pv performed.

Im Rahmen des Schrittes S3 werden auch Kollisionsprüfungen durchgeführt, womit sichergestellt wird, dass es keine Überlappungen virtueller Einschlüsse gibt. Sollte eine Kollision festgestellt werden, wird der zuletzt hinzugefügte virtuelle Einschluss Ev wieder aus der virtuellen Probe Pv entfernt und erneut ein virtueller Einschluss Ev generiert, welcher abermals einer Prüfung auf Kollision mit bereits vorhandenen Einschlüssen Ev unterzogen wird. Von daher handelt es sich bei dem Schritt S3 tatsächlich um einen im Vergleich zur vereinfachten Darstellung nach 3 komplexeren, mindestens eine Schleife umfassenden Programmbestandteil.As part of the step S3 Collision checks are also performed to ensure that there is no overlap of virtual inclusions. Should a collision be detected, the most recently added virtual inclusion will be used Possibly again from the virtual sample Pv removed and again a virtual inclusion Possibly generated, which again checks for a collision with existing inclusions Possibly is subjected. Hence, this is the step S3 actually by one compared to the simplified representation 3 more complex program component comprising at least one loop.

Im anschließenden Verfahrensschritt S4 wird eine Ebene durch die virtuelle Probe Pv gelegt, womit der virtuelle Schnitt Sv erzeugt wird. Für alle Einschlüsse Ev, deren Abstand von der Schnittebene geringer als der Radius des betreffenden Einschlusses Ev ist, wird die im virtuellen Schnitt sichtbare Fläche des Einschlusses Ev berechnet. In 2 sind diese Flächen durch Schraffur markiert. Liegt der Mittelpunkt eines Einschlusses Ev exakt in der Schnittebene, so ist im virtuellen Schnitt Sv der tatsächliche Durchmesser des Einschlusses Ev sichtbar. Ansonsten ist der im virtuellen Schnitt Sv sichtbare Durchmesser eines Einschlusses Ev geringer als dessen tatsächlicher Durchmesser. Im Extremfall, wenn der Abstand eines Einschlusses Ev von der Schnittebene dem Radius des Einschlusses Ev entspricht, taucht in dem virtuellen Schnitt Sv der entsprechende Einschluss Ev lediglich in Form eines Punktes auf.In the subsequent process step S4 becomes a plane through the virtual sample Pv laid, with which the virtual cut Sv is produced. For all inclusions Possibly whose distance from the cutting plane is less than the radius of the inclusion in question Possibly is the area of the inclusion visible in the virtual section Possibly calculated. In 2 these areas are marked by hatching. Is the center of an inclusion Possibly exactly in the cutting plane, so is in the virtual section Sv the actual diameter of the inclusion Possibly visible. Otherwise it is in the virtual cut Sv visible diameter of an inclusion Possibly smaller than its actual diameter. In the extreme case, when the distance of an inclusion Possibly from the cutting plane the radius of the inclusion Possibly corresponds, appears in the virtual section Sv the corresponding inclusion Possibly only in the form of a point.

Im Schritt S5 wird das reale Schliffbild Sb automatisiert ausgewertet. Hierbei wird unter anderem die Häufigkeit von Einschlüssen 11 pro Flächeneinheit sowie die Größenverteilung dieser sichtbaren Einschlüsse 11 ermittelt. Bei der Größenverteilung handelt es sich um die Verteilung sichtbarer Größen, nicht um die tatsächliche Durchmesserverteilung der Einschlüsse 11. Die Schritte S4, S5 können in beliebiger Reihenfolge, auch gleichzeitig, durchgeführt werden.In step S5 becomes the real micrograph Sb automatically evaluated. Here, among other things, the frequency of inclusions 11 per unit area and the size distribution of these visible inclusions 11 determined. The size distribution is the distribution of visible sizes, not the actual diameter distribution of the inclusions 11 . The steps S4 , S5 can be carried out in any order, even at the same time.

Ein Vergleich des Schliffbildes Sb mit dem virtuellen Schnitt Sv findet im Verfahrensschritt S6 statt. Ergibt dieser Vergleich eine ausreichend gute Übereinstimmung zwischen dem Schliffbildes Sb und dem virtuellen Schnitt Sv, so werden im Schritt S7 die Merkmale der virtuellen Probe Pv der tatsächlichen Probe 3 zugeordnet. Ansonsten werden die Schritte S2 bis S5 iteriert, bis eine ausreichende Annäherung der virtuellen Probe Pv an die tatsächliche Probe 3 gegeben ist. Der Schritt S7 beinhaltet auch eine Auswertung hinsichtlich der Herabsetzung der mechanischen Belastbarkeit aufgrund der in der Probe 3 vorhandenen Einschlüsse 11. Häufigkeit und Größenverteilung dieser Einschlüsse 11 wird dabei nicht direkt aus dem Schliffbild Sb, sondern aus der virtuellen Probe Pv abgeleitet. Der Abschluss des Verfahrens ist mit S8 bezeichnet.A comparison of the micrograph Sb with the virtual cut Sv takes place in step S6. If this comparison shows a sufficiently good correspondence between the micrograph Sb and the virtual cut Sv so be in step S7 the characteristics of the virtual sample Pv the actual sample 3 assigned. Otherwise, the steps S2 until S5 iterates until a sufficient approximation of the virtual sample Pv to the actual sample 3 given is. The step S7 also includes an evaluation with regard to the reduction in the mechanical load capacity due to the in the sample 3 existing inclusions 11 . Frequency and size distribution of these inclusions 11 is not taken directly from the micrograph Sb , but from the virtual sample Pv derived. The conclusion of the procedure is with S8 designated.

Die iterative Annäherung der Eigenschaften der virtuellen Probe Pv an die tatsächliche Probe 3, von welcher das Schliffbild Sb zur Verfügung steht, ist in 5 veranschaulicht. Gezeigt sind verschiedene Verteilungsfunktionen, bezogen auf die mit EGs bezeichnete sichtbare Einschlussgröße. Im Fall der virtuellen Proben Pv wird die sichtbare Einschlussgröße EGs berechnet, im Fall der tatsächlichen Probe 3 gemessen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die sichtbare Größe EGs eines Einschlusses Ev beziehungsweise eines Einschlusses 11 unter einem bestimmten Wert liegt, ist mit P bezeichnet und nähert sich zwangsläufig asymptotisch Eins an.The iterative approximation of the properties of the virtual sample Pv to the actual sample 3 , of which the micrograph Sb is available is in 5 illustrated. Various distribution functions are shown, based on those with EGs designated visible inclusion size. In the case of virtual rehearsals Pv becomes the visible inclusion size EGs calculated, in the case of the actual sample 3 measured. The probability that the visible size EGs an inclusion Possibly or an inclusion 11 is below a certain value, is denoted by P and inevitably approaches one asymptotically.

Eine erste Simulation, das heißt Monte Carlo Simulation, ist in 5 mit Si1 bezeichnet. Wie aus 1 hervorgeht, ist die entsprechende Verteilungsfunktion noch deutlich von der direkt aus dem Laborversuch, das heißt mittels des optischen Analysesystems, ermittelten Kurve, welche als Laborkurve LK bezeichnet wird, entfernt. Durch Veränderung der Parameter der Monte Carlo Simulation (Schritt S3) wird eine modifizierte virtuelle Probe Pv generiert, wobei die entsprechende Simulation mit Si2 bezeichnet ist. Eine abermalige Optimierung der Parameter führt schließlich zur Simulation Si3, wobei die zugehörige Verteilungsfunktion, wie aus 3 hervorgeht, weitgehend mit der Laborkurve LK zusammenfällt.A first simulation, i.e. Monte Carlo simulation, is in 5 denoted by Si1. How out 1 is evident, the corresponding distribution function is still clear from the curve determined directly from the laboratory test, that is to say by means of the optical analysis system, which is called the laboratory curve LK is referred to, removed. By changing the parameters of the Monte Carlo simulation (step S3 ) becomes a modified virtual sample Pv generated, the corresponding simulation with Si2 is designated. Another optimization of the parameters finally leads to simulation Si3 , where the associated distribution function, as from 3 emerges, largely with the laboratory curve LK coincides.

Die mit der optimierten Simulation Si3 erhaltene virtuelle Probe Pv stimmt nicht nur in der Schnittebene mit der tatsächlichen Probe 3 mit guter Näherung überein. Vielmehr kann aufgrund der Simulation Si3 auch auf die Zusammensetzung der Probe 3 außerhalb der betrachteten Schnittebene geschlossen werden. Insbesondere liefert die virtuelle Probe Pv die in 6 dargestellte Verteilungsfunktion, welche sich im Unterschied zu 5 nicht auf sichtbare Einschlussgrößen EGs, sondern auf reale Einschlussgrößen EGr bezieht. Der Zusammenhang zwischen einer kritischen Einschlussgröße Ekr, die maximal im Bauteil gegeben sein darf, um eine bestimmte Belastbarkeit nicht zu unterschreiten, und der mit Pe bezeichneten ermittelten Wahrscheinlichkeit, dass ausschließlich Einschlüsse 11 vorhanden sind, die nicht größer als Ekr sind, ist unmittelbar aus dem Diagramm nach 6 ablesbar.The one with the optimized simulation Si3 virtual sample received Pv is not only correct in the cutting plane with the actual specimen 3 to a good approximation. Rather, based on the simulation Si3 also on the composition of the sample 3 be closed outside the considered cutting plane. In particular, the virtual sample delivers Pv in the 6th shown distribution function, which differs from 5 not on visible inclusion sizes EGs , but on real inclusion sizes EGr relates. The relationship between a critical inclusion size Ekr , the maximum that may be given in the component in order not to fall below a certain load-bearing capacity, and the determined probability, labeled Pe, that only inclusions 11 which are not greater than Ekr is immediately apparent from the diagram after 6th readable.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: UntersuchungssystemInvestigation system
22: PrüfplatzTest station
33: Metallische ProbeMetallic sample
44th: Tischtable
55: Optisches AnalysesystemOptical analysis system
66th: DatenverbindungData Connection
77th: DatenverarbeitungssystemData processing system
88th: Simulatorsimulator
99: KomparatorComparator
1010: AuswerteeinheitEvaluation unit
1111: Einschluss in der metallischen Probe Inclusion in the metallic sample
BmBm: mechanische Beanspruchungmechanical load
BrBr: reduzierte Beanspruchungreduced stress
EGrEGr: reale Einschlussgrößereal inclusion size
EGsEGs: sichtbare Einschlussgrößevisible inclusion size
EkrEkr: kritische Einschlussgrößecritical inclusion size
EvPossibly: Einschluss in der virtuellen ProbeInclusion in the virtual sample
LKLK: LaborkurveLaboratory curve
PP.: Wahrscheinlichkeitprobability
PePe: ermittelte Wahrscheinlichkeitdetermined probability
PvPv: virtuelle Probevirtual sample
S1 ... S8S1 ... S8: VerfahrensschrittProcess step
SbSb: SchliffbildMicrograph
Si1Si1: erste Simulationfirst simulation
Si2Si2: zweite Simulationsecond simulation
Si3Si3: dritte Simulationthird simulation
SvSv: virtueller Schnittvirtual cut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102008063130 B4 [0004]
EP 0264813 B1 [0005]
DE 3409011 C2 [0006]
DE 10050280 A1 [0012]
WO 2014/009384 A2 [0012]
DE 102017221924 B3 [0024]
WO 2019/020259 A1 [0024]

Claims

Method for examining a metallic sample (3) for inclusions (11), with the following features: - Provision of a micrograph (Sb) of the metallic sample (3), - Generating several virtual sections (Sv) of virtual samples (Pv) by distributing inclusions (Ev) in a volume using Monte Carlo simulation and then laying at least one cutting plane through the volume, whereby the various virtual samples (Pv) differ from one another at least with regard to the size distribution of their inclusions (Ev), - Automatic comparison of the micrograph (Sb) with several of the generated, different virtual samples (Pv) to be assigned virtual sections (Sv), - Identification of that virtual section (Sv) which has the greatest correspondence with the micrograph (Sb) and assignment of features of the corresponding virtual sample (Pv) to the metallic sample (3).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that only spherical inclusions (Ev) are placed in the virtual samples (Pv).

Procedure according to Claim 2 , characterized in that in each of the virtual samples (Pv) a plurality of spherical inclusions (Ev), the diameter of which describes a normal distribution, is positioned.

Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that inclusions (Ev) are placed in the virtual samples (Pv) in such a way that different virtual samples (Pv) differ both in terms of the frequency of the inclusions (Ev), based on the sample volume, and in terms of the size distribution of the inclusions (Ev) differ from each other.

Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that, after the distribution of a number of inclusions (Ev) in the volume of the virtual sample (Pv), the next inclusion (Ev) is initially inserted into the volume in accordance with the specifications of the Monte Carlo simulation, independently of already defined inclusions (Ev) and a collision check is then carried out, whereby in the event of a collision of the newly added inclusion (Ev) with existing inclusions (Ev), the last insertion made is reversed.

Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the comparison of the actual micrograph (Sb) with virtual sections (Sv) is carried out using artificial intelligence.

Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that virtual samples (Pv) are generated iteratively, with parameters for generating virtual samples (Pv) being defined as a function of comparisons already made between virtual samples (Pv) and the micrograph (Sb).

Procedure according to Claim 7 , characterized in that a size distribution of virtual and actual inclusions (Ev, 11) determined with the aid of the iteration is used together with a component strength calculation for a statistical assessment of component failure.

Examination system (1) for testing and assessing a metallic sample (3), with the following components: - Test station (2) for the optical acquisition of a micrograph (Sb) of the metallic sample (3), - Simulator (8) for generating virtual samples (Pv) including associated sections (Sv), - Comparator (9) for comparing a virtual sample (Pv) with the micrograph (Sb), wherein - The simulator (8) is designed to generate a plurality of virtual samples (Pv) which differ from one another with regard to inclusions (Ev) present in the sample (Pv), - The comparator (9) is designed to determine the degree of correspondence between different sections (Sv) of virtual samples (Pv) and the micrograph (Sb) and that virtual sample (Pv) which corresponds most closely to the micrograph (Sb) has to identify.

Examination system (1) according to Claim 9 , characterized by an evaluation unit (10) linked to the comparator (9), which is designed to derive statistical statements about component failure as a function of the features of the metallic sample (3) determined with the aid of the simulation.