JP2023149011A - Accurate cleanliness evaluation method for inclusion identification accuracy - Google Patents

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威史 藤松
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Abstract

To provide a method for correctly identifying a region for each inclusion system and accurately evaluating an inclusion prediction diameter.SOLUTION: An evaluation method comprises the steps of: acquiring a color photograph via a green filter of an optical microscope in addition to a gray scale photograph of an inclusion that is normally imaged by the optical microscope in the extreme value statistical evaluation work; creating a processed image by changing brightness and contrast with respect to the acquired color inclusion image with image editing software; acquiring a reflection electron image with a scan electron microscope (SEM) for a maximum oxide imaged by the optical microscope; acquiring an element mapping image with an electronic probe microanalyser (EPMA); comparing these images with the processed image; executing separate-coloring for each inclusion system on the image editing software; and executing extreme value statistical evaluation on the basis of the result thereof.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、鋼材中の非金属介在物の最大介在物径を精度よく評価する清浄度評価方法に関する。特に、本発明は、非金属介在物の中でも特に酸化物の領域を識別し、鋼材中の最大酸化物径を評価する方法に関する。 The present invention relates to a cleanliness evaluation method for accurately evaluating the maximum inclusion diameter of nonmetallic inclusions in steel materials. In particular, the present invention relates to a method for identifying oxide regions among non-metallic inclusions and evaluating the maximum oxide diameter in a steel material.

軸受鋼等に供される高強度鋼では、鋼中に不可避的に含まれる非金属介在物への応力集中によりき裂を生じ、それを起点として疲労破壊を生じる場合がある。鋼中の介在物とは、主として鋼の製造過程で不可避的に生成し、除去されずに残ったものである。それら介在物の周辺への応力集中の影響範囲は、非金属介在物の大きさと相関することが考えられる。したがって軸受の寿命を想定する上で、非金属介在物のサイズを把握することは重要である。特に、存在する複数の非金属介在物の中でも、特に大きい非金属介在物の径(最大介在物径)を把握することは、鋼の信頼性を確保する観点から重視される。 In high-strength steel used as bearing steel, stress concentration on non-metallic inclusions inevitably included in the steel may cause cracks, which may initiate fatigue fracture. Inclusions in steel are mainly generated unavoidably during the steel manufacturing process and remain without being removed. It is thought that the range of influence of stress concentration around these inclusions is correlated with the size of the nonmetallic inclusions. Therefore, it is important to understand the size of nonmetallic inclusions when estimating the life of a bearing. In particular, from the viewpoint of ensuring the reliability of steel, it is important to understand the diameter of a particularly large nonmetallic inclusion (maximum inclusion diameter) among the plurality of nonmetallic inclusions that exist.

鋼中の非金属介在物を評価する方法には、様々な方法が提案されており、日本産業規格JIS G0555やASTM E45等で規定されている研磨された試料を顕微鏡を用いて直接観察することによる顕微鏡法などがある。 Various methods have been proposed to evaluate non-metallic inclusions in steel, including direct observation of polished samples using a microscope as specified by Japanese Industrial Standards JIS G0555, ASTM E45, etc. microscopy, etc.

また「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響」(養賢堂、村上敬宜著)には、鋼中の非金属介在物を評価する方法として、基準体積内の最大介在物径を、光学顕微鏡と極値統計法によって予測する方法が開示されている(非特許文献1参照)。 In addition, "Metal Fatigue: Effects of Micro-Defects and Inclusions" (Yokendo, Takayoshi Murakami) describes how to evaluate non-metallic inclusions in steel by measuring the maximum diameter of inclusions within a reference volume using an optical microscope. A method of predicting this using an extreme value statistical method is disclosed (see Non-Patent Document 1).

特開2000-214142号公報には、金属材料の清浄度を光学顕微鏡により極値統計法を用いて評価する方法が開示されている。また鋼中の非金属介在物を評価する方法として、従来の光学顕微鏡法よりも大体積を評価できる超音波探傷法を用いた方法もある(特許文献1参照)。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-214142 discloses a method for evaluating the cleanliness of a metal material using an optical microscope using an extreme value statistical method. Furthermore, as a method for evaluating nonmetallic inclusions in steel, there is also a method using ultrasonic flaw detection, which can evaluate a larger volume than conventional optical microscopy (see Patent Document 1).

特開2000-214142号公報Japanese Patent Application Publication No. 2000-214142

「金属疲労 微小欠陥と介在物の影響」養賢堂、村上敬宜著(1993)“Metal Fatigue: Effects of Micro-Defects and Inclusions” Yokendo, Takayoshi Murakami (1993)

もっとも、特許文献1の方法は、従来の光学顕微鏡法並びに超音波探傷法を用いて極値統計法により清浄度を評価した特許であるものの、非金属介在物である酸化物、硫化物、窒化物等の各種介在物系のうちでも、疲労への影響の観点から特に重視される酸化物系の識別方法についての具体的な言及はなく、酸化物の識別においては十分ではなかった。 However, although the method of Patent Document 1 is a patent that evaluates cleanliness using the extreme value statistical method using conventional optical microscopy and ultrasonic flaw detection, Among various inclusion systems such as substances, there is no specific mention of a method for identifying oxide systems, which are particularly important from the viewpoint of their influence on fatigue, and the identification of oxides has not been sufficient.

さて、極値統計評価では、評価者が光学顕微鏡にて鋼材の基準観察面積内の最大介在物を撮影し、それを複数の基準面積に対して同様に行うことで得られた複数の基準面積内の最大介在物大きさをもとに、極値統計法を用いて介在物径を予測する方法が採られる。もっとも、この方法での各種介在物系ごとの領域を特定する作業は、評価者の知識や経験に負うところが大きく、人によって形状の解釈が異なることとなりやすい。このように、いわゆる官能的な評価であることから、特定された介在物領域サイズの増減が起こり得るものであるがゆえに、作業をした評価者によって、予測値の結果にばらつきが生じてしまう。 Now, in extreme value statistical evaluation, the evaluator photographs the largest inclusion within the standard observation area of the steel material using an optical microscope, and then performs the same process on multiple standard areas to obtain multiple standard areas. A method is adopted in which the inclusion diameter is predicted using the extreme value statistical method based on the maximum inclusion size within. However, the task of identifying regions for each type of inclusion system using this method relies heavily on the knowledge and experience of the evaluator, and the interpretation of the shape is likely to differ from person to person. In this way, since it is a so-called sensory evaluation, the size of the identified inclusion region may increase or decrease, and therefore, the results of the predicted values will vary depending on the evaluator who performed the work.

本発明は、このような評価者によりばらつきが生じやすい課題を解決すべく、各種介在物系ごとの領域を正確に識別し、介在物予測径を精度良く評価するための方法を提供することを目的としている。 The present invention aims to solve the problem that variations tend to occur among evaluators, and to provide a method for accurately identifying regions for each type of inclusion system and accurately evaluating the predicted diameter of inclusions. The purpose is

上述した課題を解決するため、本発明では、極値統計評価作業において、まず、光学顕微鏡で通常撮影される介在物のグレースケール画像に加えて、光学顕微鏡でグリーンフィルターを通してカラー画像を取得したうえで、画像編集ソフトを用いて、取得したカラーの介在物画像に対して明るさとコントラストを変更した加工画像を新たに作成する。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, in the extreme value statistical evaluation work, first, in addition to the grayscale image of inclusions that is normally taken with an optical microscope, a color image is acquired through a green filter with an optical microscope. Then, using image editing software, a new processed image is created by changing the brightness and contrast of the acquired color inclusion image.

また、所定の観察面積ごとに光学顕微鏡にて撮影された最大の酸化物について、走査電子顕微鏡(SEM)で反射電子像を取得し、さらに電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)により元素マッピング像を取得し、これらの画像と前記の加工画像を対照することにより特定された各種介在物系に対応する画像領域について、画像編集ソフト上で領域の塗り分けを実施し、その塗り分けされた画像に基づいて把握された領域に基づいて、極値統計評価を実施する。 In addition, we acquired backscattered electron images using a scanning electron microscope (SEM) and elemental mapping images using an electron probe microanalyzer (EPMA) for the largest oxide photographed using an optical microscope for each predetermined observation area. By comparing these images with the above-mentioned processed image, the image areas corresponding to the various inclusion systems identified are painted using image editing software, and based on the painted images, Based on the grasped area, extreme value statistical evaluation is performed.

すなわち、本発明の課題を解決する第1の手段は、
介在物を含む鋼材の所定の観察領域を単色の有色透明カラーフィルターを介して光学顕微鏡で撮像して当該介在物を含む鋼材の画像を得る工程と、
前記画像から画像の輪郭を強調するように画像を加工した強調加工画像を作成する工程と、
前記介在物を含む観察領域を走査電子顕微鏡により撮像して反射電子像を取得する工程と、
前記介在物を含む領域の成分組成について特性X線を用いて同定した分析画像を作成する工程と、
前記強調加工画像を前記反射電子像ならびに前記分析画像に基づいて介在物系毎に占める画像上の領域を識別可能に表示した識別画像を作成する工程と、
得られた識別画像から介在物系毎の最大介在物径を算定する工程とを備えた、
介在物を含む観察領域の介在物系の識別およびその最大介在物径の評価方法である。
That is, the first means for solving the problems of the present invention is as follows:
Obtaining an image of the steel material containing the inclusions by imaging a predetermined observation area of the steel material containing the inclusions with an optical microscope through a monochromatic transparent color filter;
creating an enhanced processed image by processing the image from the image so as to emphasize the outline of the image;
a step of imaging the observation area including the inclusion with a scanning electron microscope to obtain a backscattered electron image;
creating an analysis image in which the component composition of the region containing the inclusions is identified using characteristic X-rays;
creating an identification image in which a region on the image occupied by each inclusion system is displayed in an identifiable manner based on the enhanced processed image based on the reflected electron image and the analysis image;
a step of calculating the maximum inclusion diameter for each inclusion system from the obtained identification image,
This is a method for identifying an inclusion system in an observation area containing inclusions and evaluating the maximum inclusion diameter.

その第2の手段は、有色透明カラーフィルターがグリーン色のフィルターであることを特徴とする第1の手段に記載の評価方法である。 The second means is the evaluation method described in the first means, characterized in that the colored transparent color filter is a green filter.

その第3の手段は、強調加工画像を得るための画像加工には、少なくとも色反転処理をする工程を含んでいることを特徴とする第1又は第2の手段に記載の評価方法である。 The third means is the evaluation method described in the first or second means, characterized in that the image processing for obtaining the enhanced processed image includes at least a step of color reversal processing.

その第4の手段は、各領域の成分組成について特性X線を用いて同定するための分析装置が電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)であることを特徴とする第1~3のいずれか1の手段に記載の評価方法である。 The fourth means is any one of the first to third means, characterized in that the analysis device for identifying the component composition of each region using characteristic X-rays is an electron probe microanalyzer (EPMA). This is the evaluation method described in .

その第5の手段は、介在物系の識別が、少なくとも酸化物系の介在物系を識別することを特徴とする第1~4のいずれか1の手段に記載の評価方法である。 The fifth means is the evaluation method according to any one of the first to fourth means, wherein the identification of the inclusion system identifies at least an oxide-based inclusion system.

その第6の手段は、第1~5のいずれか1の手段に記載の評価方法で鋼材中の重複しない複数箇所の観察領域について各観察領域毎に介在物系の識別画像と最大介在物径の算定結果を得る工程と、
得られた最大介在物径の算定値に基づいて、観察領域(検査基準面積)の面積よりも大きなサイズの鋼材領域(予測面積)における介在物系の最大介在物径を統計的手法で予測した最大介在物径の予測値を算出する工程と、
を備える介在物識別精度に優れた鋼材の清浄度の予測評価方法である。
The sixth means uses the evaluation method described in any one of the first to fifth means to obtain an identification image of the inclusion system and the maximum inclusion diameter for each observation region at a plurality of non-overlapping observation regions in the steel material. a step of obtaining a calculation result;
Based on the calculated value of the maximum inclusion diameter obtained, the maximum inclusion diameter of the inclusion system in the steel area (predicted area) that is larger than the area of the observation area (inspection reference area) was predicted using a statistical method. a step of calculating a predicted value of the maximum inclusion diameter;
This is a predictive evaluation method for the cleanliness of steel materials with excellent inclusion identification accuracy.

その第7の手段は、前記の統計的手法は極値統計法であって、検査基準面積が100mm2、予測面積が30000mm2の条件で、鋼材中の最大介在物径を予測することを特徴とする第6の手段に記載の介在物識別精度に優れた鋼材の清浄度の予測評価方法である。 The seventh means is characterized in that the above-mentioned statistical method is an extreme value statistical method, and the maximum inclusion diameter in the steel material is predicted under the conditions that the inspection reference area is 100 mm 2 and the predicted area is 30000 mm 2 . This is a method for predicting and evaluating the cleanliness of steel materials that is excellent in inclusion identification accuracy as described in the sixth means.

本発明に係る方法により、観察対象中から各種介在物の領域をより正確に識別しうることとなるので、鋼材中に含まれる非金属介在物の介在物系が識別され、介在物系に応じた最大介在物径がより精度よく予測されることとなる。 By the method according to the present invention, it is possible to more accurately identify the regions of various inclusions in the observation target, so that the inclusion system of non-metallic inclusions contained in the steel material can be identified, and depending on the inclusion system. Therefore, the maximum inclusion diameter can be predicted with higher accuracy.

グリーンフィルターなどの有色フィルターを用いることで、たとえば画像の色調や各階調の調整による輪郭強調の加工が効率よくでき、得られた強調画像と、さらにコントラストが強く帯電の影響を受けにくいSEMの反射電子像やEPMA分析画像などとを対照させることで、従来にない観察精度で介在物種毎の領域を正確に識別できるようになる。そこで、酸化物と硫化物の混同を容易に避けることができ、疲労特性といった介在物種による違いのある金属材料の特性をより正確に予測評価することができることとなる。 By using a colored filter such as a green filter, it is possible to efficiently enhance contours by adjusting the color tone and each gradation of the image. By comparing electronic images, EPMA analysis images, etc., it becomes possible to accurately identify regions of each type of inclusion with unprecedented observation accuracy. Therefore, confusion between oxides and sulfides can be easily avoided, and properties of metal materials, such as fatigue properties, which differ depending on the type of inclusion, can be more accurately predicted and evaluated.

本発明の実施工程の手順の概略を示したフローチャートである。1 is a flowchart showing an outline of a procedure for implementing the present invention. SEMで撮影した介在物の一例を示す反射電子像である。This is a backscattered electron image showing an example of inclusions photographed by SEM. 図2の介在物をEPMAで分析した元素マッピング像であり、(a)は反射電子像、(b)は硫黄のマッピング像、(c)は酸素のマッピング像である。(なお、図3の原図はカラー画像である。)These are elemental mapping images obtained by analyzing the inclusions in FIG. 2 using EPMA, in which (a) is a backscattered electron image, (b) is a mapping image of sulfur, and (c) is a mapping image of oxygen. (The original drawing in Figure 3 is a color image.) 本実施工程における各種介在物系ごとの塗り分け画像の作成手順であり、(a)は光学顕微鏡でグリーンフィルターを通して撮影したカラー画像、(b)は介在物の輪郭を強調した強調加工画像、(c)は各種介在物系ごとに塗り分けした塗り分け画像である(なお、図4の原図はカラー画像である。)。This is the procedure for creating separate images for each type of inclusion system in this implementation process. (a) is a color image taken through a green filter with an optical microscope, (b) is an enhanced processed image that emphasizes the outline of inclusions, ( c) is a colored image in which each type of inclusion system is colored separately (the original image in FIG. 4 is a color image). 酸化物の領域判定の違いと、それに基づく酸化物の大きさ(√area:介在物の短径と長径の積の平方根)の測定結果の違いを示す図である。(a)は従来手法で光学顕微鏡写真のモノクロ画像に基づいて人が判別したものであり、硫化物系を含めて領域判定していまっている例である。(b)は本発明の手順を用いて、酸化物のサイズを正しく判定している例である。FIG. 4 is a diagram showing differences in oxide area determination and differences in measurement results of the oxide size (√area: the square root of the product of the minor axis and major axis of the inclusion) based on the determination. (a) is an example in which discrimination was performed by a person using a conventional method based on a monochrome image of an optical microscope photograph, and the area was determined including sulfide-based substances. (b) is an example in which the size of an oxide is correctly determined using the procedure of the present invention. 測定した複数の酸化物系サイズをプロットし、極値統計法に基づき鋼中の予測面積における介在物予測径を算出した極値統計グラフである。●が本発明の方法による予測であり、○が従来の通常手順による予測である。これらの方法から導かれる予測介在物径の結果が異なることが示されている。This is an extreme value statistical graph in which a plurality of measured oxide sizes are plotted and the predicted diameter of inclusions in the predicted area in steel is calculated based on the extreme value statistical method. ● is a prediction made by the method of the present invention, and ◯ is a prediction made by the conventional normal procedure. It has been shown that the predicted inclusion diameter results derived from these methods are different.

以下、本発明の実施形態の説明のために、本発明による介在物識別精度の良い清浄度の予測評価方法について、図1のフローチャートを用いて詳述する。ただし、本発明の清浄度の評価方法及び予測評価方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。また、以下では、代表的に酸化物に着目して説明しているが、介在物の種別を識別できるので、たとえば酸化物と硫化物を効率よく識別できるとおり、酸化物に限らずたとえば硫化物に着目する場合であっても合理的に実施できる方法である。 Hereinafter, in order to explain the embodiments of the present invention, a predictive evaluation method of cleanliness with high inclusion identification accuracy according to the present invention will be described in detail using the flowchart of FIG. However, the cleanliness evaluation method and predictive evaluation method of the present invention are not limited to the following examples. In addition, although the following explanation focuses on oxides as a representative example, since the type of inclusion can be identified, for example, oxides and sulfides can be efficiently distinguished. This is a method that can be reasonably implemented even when focusing on

(工程A:試験片の採取について)
極値統計評価に用いる試験片の作製にあたっては、評価対象の鋼材について、必要に応じた適切な熱処理を実施した後、鋼材から所定面積、所定高さとなるように試験片を切り出す。
なお、後工程での仕上げ研磨の際に介在物の脱落が生じやすかったり、研磨キズが残りやすかったりする場合は、研磨条件を調整する以外に鋼材の硬さを上げることで改善する場合があるため、必要に応じて事前に熱処理を行って硬さを調整してもよい。
続いて、試験片のまま、あるいは必要に応じてそれらの試験片を樹脂に埋設したのち、試料の観察面に対して仕上げ研磨を施して顕微鏡観察用の試験片を作製する。このような試験片を複数個作製する。たとえば30個程度を作製すればよい。
(Process A: Regarding collection of test pieces)
To prepare a test piece for use in extreme value statistical evaluation, the steel material to be evaluated is subjected to appropriate heat treatment as necessary, and then a test piece is cut out from the steel material to have a predetermined area and a predetermined height.
In addition, if inclusions tend to fall off or polishing scratches tend to remain during final polishing in the post-process, it may be improved by increasing the hardness of the steel material in addition to adjusting the polishing conditions. Therefore, if necessary, heat treatment may be performed in advance to adjust the hardness.
Next, either as a test piece or after embedding the test piece in resin as necessary, the observation surface of the sample is subjected to final polishing to prepare a test piece for microscopic observation. A plurality of such test pieces are prepared. For example, about 30 pieces may be manufactured.

(工程A:具体例)
実施例で用いた試験片は、φ65mmに熱間鍛伸したSUJ2鋼を評価対象の鋼材として、その鋼材から作製した。そこから、極値統計評価を行うための試験片形状、ここでは10mm×10mm×8mmのサイズに粗加工した。このときの観察面の面積は100mm2である。なお、試験片は鍛伸材の中周部より圧延方向と平行な面が試料の観察面となるように採取した。
そして、採取した試験片を樹脂に埋設した後、自動の湿式研磨装置もしくは手動の湿式研磨機を使用して研磨したのち、最終的にダイヤモンド砥粒を使ったバフ研磨仕上げを行って鏡面状態に加工した。こうした試験片を12個作製した。なお、バフ研磨に続いて、コロイダルシリカによる研磨を行ってもよい。
(Process A: Specific example)
The test pieces used in the examples were prepared from SUJ2 steel hot-forged to φ65 mm as the steel material to be evaluated. From there, it was rough-processed into a test piece shape, here a size of 10 mm x 10 mm x 8 mm, for performing extreme value statistical evaluation. The area of the observation surface at this time was 100 mm 2 . The test piece was taken from the middle circumference of the forged material so that the surface parallel to the rolling direction was the observation surface of the sample.
After embedding the collected test piece in resin, it is polished using an automatic wet polishing device or a manual wet polishing machine, and then finally buffed using diamond abrasive grains to achieve a mirror-like finish. processed. Twelve such test pieces were produced. Note that polishing with colloidal silica may be performed subsequent to buffing.

(工程B:非金属介在物の撮像について)
工程Aにて得られた各試験片の検査基準面積内において介在物の大きさである√area(介在物の短径と長径の積の平方根)が最大と思われる介在物を選定し、続いて介在物を構成する単体もしくは複合した介在物の精細な形状や色調の違いを認識可能な程度に光学顕微鏡のレンズ倍率を高倍率としたうえで、単色の有色透明カラーフィルターを介して介在物画像を撮影する。撮影する枚数は準備をした試験片の個数分である。たとえば実施例の場合では撮影する画像枚数は12枚である。
(Process B: Regarding imaging of nonmetallic inclusions)
Select the inclusion whose size √area (square root of the product of the short axis and long axis of the inclusion) is considered to be the largest within the inspection standard area of each test piece obtained in Step A, and then The lens magnification of the optical microscope is set to a high magnification to the extent that it is possible to recognize the minute shapes and differences in color of the single or composite inclusions that make up the inclusions. Take an image. The number of images to be taken is equal to the number of prepared test pieces. For example, in the case of the embodiment, the number of images to be photographed is 12.

(工程B:具体例)
図4の(a)にグリーンのカラーフィルターを介して撮影した介在物のカラー画像を示す。ここで、極値統計評価を行う試験片における観察面積、すなわち検査基準面積は工程Aの具体例で示すように100mm2とし、光学顕微鏡の撮影倍率は400倍とした。また、単色の有色透明カラーフィルターには対象介在物のコントラストを増強可能に好適なグリーンフィルターを使用し、このようなカラー画像を12枚得た。また、このとき後工程において対照するためのグレースケールの介在物画像をカラー画像とは別に撮像しておいた。
(Process B: Specific example)
FIG. 4(a) shows a color image of the inclusion taken through a green color filter. Here, the observation area of the test piece for extreme value statistical evaluation, that is, the inspection reference area, was set to 100 mm 2 as shown in the specific example of step A, and the photographing magnification of the optical microscope was set to 400 times. In addition, a green filter suitable for enhancing the contrast of target inclusions was used as the monochrome transparent color filter, and 12 such color images were obtained. Furthermore, at this time, a grayscale inclusion image was captured separately from the color image for comparison in the subsequent process.

(工程C:画像編集ソフトによる加工画像の作成について)
工程Bに続いて、画像編集ソフトを使用して得られたカラー画像における各種介在物系ごとのコントラストがより強調されるようにするための画像の加工を行う。ここでの加工枚数は、12枚である。
(Process C: Regarding creation of processed images using image editing software)
Following step B, image editing software is used to process the image so that the contrast of each type of inclusion system in the obtained color image is further emphasized. The number of sheets processed here is 12.

(工程C:具体例)
図4の(b)に画像編集ソフトで加工を行った加工画像を示す。加工画像は工程Bにより得られたカラー画像に対して、市販の画像編集ソフト(たとえばアドビ社製フォトショップ(登録商標)など)を使用し、ソフトに実装されているカラーカーブの補正機能でソラリゼーション処理(色反転処理)することによって色調や階調の操作をして、介在物を強調させるための画像加工を施した。さらに、中間調の明るさを最大にし、一方で中間調のコントラストを最小にする変換処理を実施した。ここでの画像加工や変換処理は、各種介在物系ごとの輪郭が強調する目的で行うものであるため、ここで例示した方法のみに限定されるものではない。
(Process C: Specific example)
FIG. 4(b) shows a processed image processed using image editing software. For the processed image, use commercially available image editing software (for example, Adobe Photoshop (registered trademark), etc.) on the color image obtained in step B, and solarize it using the color curve correction function implemented in the software. Image processing was performed to emphasize inclusions by manipulating color tone and gradation through processing (color inversion processing). Furthermore, we implemented a conversion process that maximizes the brightness of midtones while minimizing the contrast of midtones. The image processing and conversion processing here are performed for the purpose of emphasizing the contours of each type of inclusion system, and therefore are not limited to the methods exemplified here.

(工程D:SEMによる反射電子像の取得について)
評価対象の各介在物の詳細観察は走査電子顕微鏡によって行い、適切な倍率での反射電子像を取得する。一般的なSEMでは2次電子像を観察しているが、本発明では、あえて反射電子像を撮像して利用することとしている。一般的な2次電子像ではなく反射電子像とする理由は、以下でも説明するように介在物の化学組成に応じたコントラストが得られる点、および電気絶縁性の高い介在物におけるチャージアップの影響が出にくい点で有用性が高いからである。
(Process D: Regarding acquisition of backscattered electron image by SEM)
Detailed observation of each inclusion to be evaluated is performed using a scanning electron microscope, and a backscattered electron image is obtained at an appropriate magnification. In a general SEM, a secondary electron image is observed, but in the present invention, a backscattered electron image is intentionally taken and used. The reason for using a backscattered electron image rather than a general secondary electron image is that, as explained below, it provides contrast depending on the chemical composition of the inclusion, and the effect of charge-up on inclusions with high electrical insulation properties. This is because it is highly useful in that it is difficult to produce.

また、各介在物の組成は、エネルギー分散型X線分光器(EDS)により得られた特性X線に基づいて分析する。この場合は後述する電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)に比べて定量性や検出限界性に劣るものの、酸化物や硫化物といった介在物の種類や代表組成を把握することに適している。 Further, the composition of each inclusion is analyzed based on characteristic X-rays obtained by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). In this case, although it is inferior in quantitative performance and detection limit compared to the electron probe microanalyzer (EPMA) described later, it is suitable for understanding the types and representative compositions of inclusions such as oxides and sulfides.

(工程D:具体例)
図2はSEMにより得られた介在物の反射電子像の実例である。反射電子像は介在物の精細な形態を表現できており、光学顕微鏡と対比可能な十分な分解能を備える。図2の画像の介在物は、EDSによる組成分析結果に基づくと、MgO-Al23系の酸化物とCaS系の硫化物によって構成されていた。
(Process D: Specific example)
FIG. 2 is an example of a backscattered electron image of an inclusion obtained by SEM. The backscattered electron image can express the fine morphology of inclusions, and has sufficient resolution to be compared with an optical microscope. The inclusions in the image of FIG. 2 were composed of MgO--Al 2 O 3 -based oxides and CaS-based sulfides, based on the results of compositional analysis by EDS.

ここで、SEMにおける反射電子の放出量は原子番号に依存し、原子番号が大きくなるほど放出量は多くなる特徴があるため、試料表面に様々な化学組成の違いがあれば、それぞれの原子番号に依存したコントラストの違いが得られることとなる。したがって、酸化物系介在物や硫化物系介在物といった介在物の種類の違いを識別しようとする場合には、一般的な2次電子像よりも反射電子像(COMPO像)が適しているといえる。 Here, the amount of backscattered electrons emitted in SEM depends on the atomic number, and the larger the atomic number, the larger the amount emitted. Therefore, if there are various chemical composition differences on the sample surface, each atomic number will A dependent contrast difference will be obtained. Therefore, when trying to distinguish between different types of inclusions such as oxide inclusions and sulfide inclusions, a backscattered electron image (COMPO image) is more suitable than a general secondary electron image. I can say that.

(工程E:EPMAによる元素マッピング像の取得について)
評価対象の各介在物における組成の分析のため、元素別に電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)分析により得られた特性X線の分析結果に基づく元素マッピング像を取得する。特性X線は元素毎に異なるので、SやOといった元素毎の画像が得られる。
(Process E: Regarding acquisition of elemental mapping image by EPMA)
In order to analyze the composition of each inclusion to be evaluated, elemental mapping images are obtained based on the analysis results of characteristic X-rays obtained by electron probe microanalyzer (EPMA) analysis for each element. Since characteristic X-rays differ for each element, images for each element such as S and O can be obtained.

(工程E:具体例)
図3は、ある介在物をEPMAで分析した元素マッピング像であり、(a)は反射電子像(b)は硫黄のマッピング像、(c)は酸素のマッピング像を示す。これは、工程Dで撮影した反射電子像のコントラストと一致する結果が得られた。
(Process E: Specific example)
FIG. 3 shows elemental mapping images of certain inclusions analyzed by EPMA, in which (a) shows a backscattered electron image, (b) shows a mapping image of sulfur, and (c) shows a mapping image of oxygen. This result matched the contrast of the backscattered electron image taken in step D.

(工程F:介在物の塗り分け画像の作成について)
評価対象の各介在物に対して、工程Cにより得られる加工画像を、工程Dにより得られる反射電子像ならびに工程Eにより得られる元素マッピング像と対照しながら、画像編集ソフトを用いて介在物種類ごとに介在物を識別し塗り分ける作業を行う。なお、空間分解能や分析精度が高いフィールドエミッション型の電子プローブマイクロアナライザー(FE-EPMA)を用いる場合には、介在物の形態を精細に捉えることができるとともに、精細な元素マッピング像を得ることができるため、この画像を工程Cにより得られる加工画像と直接比較してもよい。
(Process F: Creating a separate color image of inclusions)
For each inclusion to be evaluated, the processed image obtained in step C is compared with the backscattered electron image obtained in step D and the elemental mapping image obtained in step E, and the type of inclusion is determined using image editing software. Identify and color the inclusions separately. In addition, when using a field emission type electron probe microanalyzer (FE-EPMA) with high spatial resolution and analysis accuracy, it is possible to capture the morphology of inclusions in detail and to obtain detailed elemental mapping images. Therefore, this image may be directly compared with the processed image obtained in step C.

(工程F:具体例)
図4の(c)は介在物種類ごとに介在物の塗り分けを行った画像である。ここでの塗り分けは、工程Cと同様に市販の画像編集ソフトを使用した。塗り分け画像を作成するためのベース画像は、工程Bにおいてカラー画像とは別に撮像しておいたグレースケールの介在物画像とし、グレースケールをRGBカラーに変換したのち、工程Cで作成を行った加工画像を工程Dで得られた反射電子像と工程Eで得られた元素マッピング像と対照することで介在物種類の識別を行ったものを画像編集ソフトのレイヤー機能で重ね合わせ、ピクセルごとの確認を行いながら、ベース画像に対して酸化物領域や硫化物領域の塗り分けを行った。ここでは例として、酸化物を赤色、硫化物を青色に塗り分けた。
(Process F: Specific example)
FIG. 4C is an image in which inclusions are colored differently for each type of inclusion. For coloring here, commercially available image editing software was used as in Step C. The base image for creating the painted image was a grayscale inclusion image that had been captured separately from the color image in step B, and after converting the grayscale to RGB color, it was created in step C. The types of inclusions were identified by comparing the processed image with the backscattered electron image obtained in Step D and the elemental mapping image obtained in Step E. The images were superimposed using the layer function of the image editing software, and each pixel was While checking, the oxide and sulfide areas were painted separately on the base image. As an example, oxides are colored red and sulfides are colored blue.

また、ここで介在物種類ごとに領域の塗り分けを行った画像は、機械学習の教師あり学習等で用いられる教師データとしても好適に使用することができるものである。 In addition, the image in which areas are colored differently for each type of inclusion can also be suitably used as teacher data used in supervised learning of machine learning.

(工程G:介在物サイズの測定について)
工程Fにより得られる介在物種類ごとの塗り分け画像を元に、酸化物に着目し、酸化物の大きさである√area(酸化物の短径と長径の積の平方根)の測定を行う。
(Process G: Measurement of inclusion size)
Based on the colored image for each type of inclusion obtained in step F, focusing on the oxide, the size of the oxide, √area (square root of the product of the minor axis and major axis of the oxide), is measured.

(工程G:具体例)
図5の(b)は酸化物の√area測定を行った結果である。比較として(a)に人による評価において、光学顕微鏡による介在物のグレースケール写真を元に硫化物を酸化物と誤認して測定した事例を示した。ただし、このような識別は熟練者でなければ困難である。本発明の方法により、正しく酸化物と硫化物を識別した場合の酸化物の大きさ√areaが12.6μmであるのに対し、誤って識別された酸化物の√areaは14.2μmとやや過大に測定されている。
(Process G: Specific example)
FIG. 5(b) shows the results of √area measurement of the oxide. For comparison, (a) shows an example in which human evaluation misidentified sulfides as oxides and measured them based on grayscale photographs of inclusions taken with an optical microscope. However, such identification is difficult unless one is an expert. When oxides and sulfides are correctly identified by the method of the present invention, the size √area of the oxide is 12.6 μm, whereas the size √area of the incorrectly identified oxide is 14.2 μm. Overmeasured.

酸化物の大きさ測定にあたり、図5のように介在物同士が離れている場合も存在する。極値統計評価のデータとして用いるための介在物の大きさ測定においては、介在物同士が離れている場合も互いに近接していれば一体として判定する必要がある。図5の判定結果はその判定方法を考慮したものであり、例えば、2つの介在物同士の間隔が、小さい方の介在物の√area(介在物の短径と長径の積の平方根)よりも離れている場合は小さい方の存在を無視し、それとは逆に両者の間隔が小さい方の介在物の√areaより小さい(すなわち近い)場合には、両者を一体の介在物とみなすような方法がとられる。
さらに2個以上の複数の介在物が近接して分散している場合には、最も近接した介在物同士の間隔と小さい方の介在物の粒径から順に一体性を判断していく。
このような判定は、介在物が近接している場合にそれらが一体として作用し疲労に対する有害性が高まるとの仮定が考慮されている。なお、ここで示した介在物を一体とみなす判定基準は一例であり、本願発明がその方法のみに限定されるものではない。
When measuring the size of oxides, there are cases where inclusions are separated from each other as shown in FIG. In measuring the size of inclusions to be used as data for extreme value statistical evaluation, even if inclusions are far apart, if they are close to each other, it is necessary to judge them as one. The determination results in Figure 5 take into account the determination method. For example, if the distance between two inclusions is smaller than the √area (the square root of the product of the minor axis and major axis of the inclusion). If they are far apart, the existence of the smaller inclusion is ignored; on the other hand, if the distance between the two is smaller (i.e. closer) than the √area of the smaller inclusion, the two are considered to be a single inclusion. is taken.
Further, when two or more inclusions are closely dispersed, the integrity is determined in order from the distance between the closest inclusions and the particle size of the smaller inclusion.
Such a determination takes into account the assumption that when inclusions are close together, they act as a unit and become more harmful to fatigue. Note that the criteria for determining inclusions shown here are only one example, and the present invention is not limited to this method.

(工程H:極値統計法の実施について)
評価鋼材より作製された複数の試験片について、上記の工程を経て得られた試験片毎の最大介在物径のデータをもとに極値統計法を用いて評価し、鋼材の任意の予測体積中に含まれうる最大介在物径の予測を行う。
(Process H: Regarding implementation of extreme value statistical method)
Evaluation Using the extreme value statistical method, multiple test pieces made from the steel material are evaluated based on the maximum inclusion diameter data for each test piece obtained through the above process, and an arbitrary predicted volume of the steel material is evaluated. Predict the maximum diameter of inclusions that can be included.

(工程H:具体例)
図6に得られた最大介在物径のデータをもとにした、極値統計法によって得られた極値統計グラフを示す。なお、極値統計プロットの傾きを表す近似直線は、最小二乗近似によって求めたものである。
(Process H: Specific example)
FIG. 6 shows an extreme value statistical graph obtained by the extreme value statistical method based on the data of the maximum inclusion diameter obtained. Note that the approximate straight line representing the slope of the extreme value statistical plot is obtained by least squares approximation.

ここで、介在物径の予測に用いる極値統計法について説明する。この場合の極値統計法とは、ある母集団から複数個の試験片(j=1,n)を採取し、個々の試験片の所定の観察範囲内に存在する最大介在物を光学顕微鏡で撮影したのちに、それらの各試験片の最大介在物の大きさを極値統計グラフ上に小さいものから順にプロットし、それらのプロットの近似直線に基づき、予測しようとする任意の面積中の最大介在物径(すなわち√areamax)を予測するものである。求めた√areamaxは、製品品質の検査に用いたり、評価鋼材同士の介在物清浄度の比較指標として用いたり、製鋼精錬方法の改良による清浄度向上の指標として利用したりすることができる。 Here, the extreme value statistical method used to predict the inclusion diameter will be explained. In this case, the extreme value statistical method is to collect multiple test pieces (j = 1, n) from a certain population and use an optical microscope to find the largest inclusion that exists within a predetermined observation range of each test piece. After photographing, the size of the largest inclusion in each test piece is plotted in order from smallest to largest on an extreme value statistical graph, and based on the approximate straight line of those plots, the maximum size in any area to be predicted is calculated. This is to predict the inclusion diameter (i.e., √area max ). The obtained √area max can be used for product quality inspection, as an index for comparison of inclusion cleanliness between evaluated steel materials, or as an index for improving cleanliness by improving steelmaking and refining methods.

特に今回の実施例においては、1視野の観察面積(検査基準面積:Somm2とする)を、例えばSo=100mm2(縦10mm×横10mm)とし、面積Soが重複しないようにして、12視野分の各々に対する最大介在物の大きさ(√area)の測定を行い、予測面積S=30000mm2として、極値統計法により最大介在物の大きさ√areamaxを予測した。 In particular, in this example, the observation area of one field of view (inspection reference area: S o mm 2 ) is set to, for example, S o = 100 mm 2 (10 mm long x 10 mm wide), and the areas S o are made to not overlap. Then, the size (√area) of the largest inclusion was measured for each of the 12 visual fields, and the size √area max of the largest inclusion was predicted by the extreme value statistical method with the predicted area S=30000 mm 2 .

極値統計グラフにおいて縦軸に示される累積分布関数F(単位:%)の値はFj=j/(n+1)×100の式から求めることができる。ここでnは√areaを評価した試験片の総個数、jは√areaの小さいものから順に並べたときのj番目であることを示している。ただし、この場合に縦軸のプロット位置を決定するためには確率紙を用いる必要がある。そこで、Fに代わって、基準化変数yとしてyj=-ln[-ln{j/(n+1)}]の式から求めたyjの値を使って縦軸を表してもよい。プロットの仕方としては、観察視野における最大介在物の大きさ√areaの小さいものから順に、横軸の値を√areaとして、縦軸の値をj番目に対応する基準化変数yjとして順次プロットを行うものとする。次に、任意面積中に存在しうる最大介在物径(√areamax)を予測するために、予測を行いたい面積における累積分布関数Fと基準化変数yを再帰期間のTから求める。このときTは予測面積Sと個々の試験片の観察面積Soを用いてT=(S+So)/Soの式で求められ、このTを用いて累積分布関数FをF=(T-1)/T×100の式から求めることができる。また、基準化変数yとしてy=-ln[-ln{(T-1)/T}]の式から求めたyの値を使って縦軸を表してもよい。また、S≫Soの場合には、y=lnT、T=S/Soが成り立ち、容易に計算することができる。 The value of the cumulative distribution function F (unit: %) shown on the vertical axis in the extreme value statistical graph can be determined from the formula F j =j/(n+1)×100. Here, n indicates the total number of test pieces for which √area was evaluated, and j indicates the jth number when √area is arranged in descending order. However, in this case, it is necessary to use probability paper to determine the plot position on the vertical axis. Therefore, instead of F, the value of y j obtained from the equation y j =-ln [-ln{j/(n+1)}] may be used to represent the vertical axis as the scaling variable y. The method of plotting is to sequentially plot the largest inclusion size √area in the observation field in descending order, with the value on the horizontal axis set as √area, and the value on the vertical axis set as the j-th standardization variable y j . shall be carried out. Next, in order to predict the maximum inclusion diameter (√area max ) that can exist in an arbitrary area, the cumulative distribution function F and scaling variable y in the area to be predicted are determined from the recurrence period T. At this time, T is calculated using the predicted area S and the observed area S o of each test piece using the formula T = (S + S o )/S o , and using this T, the cumulative distribution function F is calculated as F = (T - 1)/T×100. Further, the vertical axis may be expressed using the value of y obtained from the equation y=-ln[-ln{(T-1)/T}] as the standardization variable y. Further, in the case of S≫S o , y=lnT and T=S/S o hold, which can be easily calculated.

今回実施した工程により正しく酸化物の領域が他の介在物系と識別され、観察範囲(すなわちSo、ここでは100mm2)毎の最大酸化物径である√areaが測定された12視野の例を示すと、再帰期間Tを300とした場合、すなわち試験片300個分に相当する面積の鋼中に存在しうる最大介在物径は、図6に示されるように、35.6μmと推定された。 An example of 12 fields of view in which the oxide region was correctly distinguished from other inclusion systems by the process carried out this time, and the maximum oxide diameter √area for each observation range (i.e. S o , here 100 mm 2 ) was measured. If the recurrence period T is 300, the maximum diameter of an inclusion that can exist in steel with an area equivalent to 300 test pieces is estimated to be 35.6 μm, as shown in FIG. Ta.

この予測面積(予測を行いたい鋼材の面積)は、目的に応じて選択されるものであって、ここで例示した試験片300個分相当の面積に限定されるものではない。また、ここで述べた評価方法は二次元観察に基づく結果であり、介在物の立体的形状や分布状態までを考慮したものではないため、より精度の高い√areamaxの予測を行うために三次元観察を行うことがあってもよい。あるいは、二次元平面上の観察面積Soに対して、仮想的に介在物の厚みを考慮することにより、疑似三次元的に評価を行うことがあってもよい。 This predicted area (the area of the steel material to be predicted) is selected depending on the purpose, and is not limited to the area equivalent to 300 test pieces as exemplified here. In addition, the evaluation method described here is a result based on two-dimensional observation, and does not take into account the three-dimensional shape or distribution state of inclusions. Therefore, in order to predict √area max with higher accuracy, Original observations may be made. Alternatively, the evaluation may be performed in a pseudo three-dimensional manner by virtually considering the thickness of the inclusion with respect to the observation area S o on the two-dimensional plane.

対比として図6に、図1のA、BおよびGの工程に示される通常の極値統計評価手順工程から得られた極値統計評価結果を本発明法との比較例として合わせて示す。 For comparison, FIG. 6 also shows extreme value statistical evaluation results obtained from the normal extreme value statistical evaluation procedure steps shown in steps A, B, and G in FIG. 1 as a comparative example with the method of the present invention.

図6に示されるように本発明は、従来手順に対して酸化物の大きさ測定をより正確に行うために光学顕微鏡で撮影した元の介在物画像を画像編集ソフトにより加工した画像とSEMやEPMAといった分析機器による介在物組成の分析結果との対比にもとづく酸化物の領域の精密特定を行うことで、最大酸化物径(√areamax)をより精度良く評価することができるようになる。この方法は、酸化物以外の介在物に適用することも同様に可能である。 As shown in Figure 6, in order to more accurately measure the size of oxides than in the conventional procedure, the present invention combines an original image of inclusions taken with an optical microscope with an image processed using image editing software and an SEM. The maximum oxide diameter (√area max ) can be evaluated with higher precision by precisely specifying the oxide region based on comparison with the analysis results of the inclusion composition using an analytical instrument such as EPMA. This method can also be applied to inclusions other than oxides.

図6のように、従来の手順であれば最大予測介在物径は、31.5μmであり、本発明のより精度の高い予測介在物径の35.6μmに比して小さい値を予測してしまっており、その分だけ介在物混入のリスクが折り込めていない予測となってしまっている。特に、酸化物系介在物が疲労寿命に与える影響を重視する必要性のある場面があることに勘案すると、介在物種毎に識別することが容易で、正確な予測ができることとなれば、疲労特性など介在物毎に影響の異なる場面での予測に際して非常に有用となる。 As shown in FIG. 6, the maximum predicted inclusion diameter using the conventional procedure is 31.5 μm, which is a smaller value than the more accurate predicted inclusion diameter of 35.6 μm according to the present invention. This results in predictions that do not take into account the risk of inclusions. In particular, considering that there are situations in which it is necessary to emphasize the influence of oxide inclusions on fatigue life, it would be possible to easily identify each type of inclusion and accurately predict fatigue properties. This is extremely useful when making predictions in situations where different inclusions have different effects.

Claims (7)

介在物を含む鋼材の所定の観察領域を単色の有色透明カラーフィルターを介して光学顕微鏡で撮像して当該介在物を含む鋼材の画像を得る工程と、
前記画像から画像の輪郭を強調するように画像を加工した強調加工画像を作成する工程と、
前記介在物を含む観察領域を走査電子顕微鏡により撮像して反射電子像を取得する工程と、
前記介在物を含む領域の成分組成について特性X線を用いて同定した分析画像を作成する工程と、
前記強調加工画像を前記反射電子像ならびに前記分析画像に基づいて介在物系毎に占める画像上の領域を識別可能に表示した識別画像を作成する工程と、
得られた識別画像から介在物系毎の最大介在物径を算定する工程とを備えた、
介在物を含む観察領域の介在物系の識別およびその最大介在物径の評価方法。
Obtaining an image of the steel material containing the inclusions by imaging a predetermined observation area of the steel material containing the inclusions with an optical microscope through a monochromatic transparent color filter;
creating an enhanced processed image by processing the image from the image so as to emphasize the outline of the image;
a step of imaging the observation area including the inclusion with a scanning electron microscope to obtain a backscattered electron image;
creating an analysis image in which the component composition of the region containing the inclusions is identified using characteristic X-rays;
creating an identification image in which a region on the image occupied by each inclusion system is displayed in an identifiable manner based on the enhanced processed image based on the reflected electron image and the analysis image;
a step of calculating the maximum inclusion diameter for each inclusion system from the obtained identification image,
A method for identifying inclusion systems in observation areas containing inclusions and evaluating the maximum inclusion diameter.
有色透明カラーフィルターがグリーン色のフィルターであることを特徴とする請求項1に記載の評価方法。 2. The evaluation method according to claim 1, wherein the colored transparent color filter is a green filter. 強調加工画像を得るための画像加工には、少なくとも色反転処理をする工程を含んでいることを特徴とする請求項1又は2に記載の評価方法。 3. The evaluation method according to claim 1, wherein the image processing for obtaining the emphasized processed image includes at least a step of performing color inversion processing. 各領域の成分組成について特性X線を用いて同定するための分析装置が電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の評価方法。 The evaluation method according to any one of claims 1 to 3, wherein the analysis device for identifying the component composition of each region using characteristic X-rays is an electron probe microanalyzer (EPMA). 介在物系の識別が、少なくとも酸化物系の介在物系を識別することを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の評価方法。 The evaluation method according to any one of claims 1 to 4, wherein the identification of the inclusion system identifies at least an oxide-based inclusion system. 請求項1~5のいずれか1項に記載の評価方法で鋼材中の重複しない複数箇所の観察領域について、各観察領域毎に介在物系の識別画像と最大介在物径の算定結果を得る工程と、
得られた最大介在物径の算定値に基づいて、観察領域(検査基準面積)の面積よりも大きなサイズの鋼材領域(予測面積)における介在物系の最大介在物径を統計的手法で予測した最大介在物径の予測値を算出する工程と、
を備える介在物識別精度に優れた鋼材の清浄度の予測評価方法。
A step of obtaining an identification image of the inclusion system and a calculation result of the maximum inclusion diameter for each observation area for a plurality of non-overlapping observation areas in the steel material using the evaluation method according to any one of claims 1 to 5. and,
Based on the calculated value of the maximum inclusion diameter obtained, the maximum inclusion diameter of the inclusion system in the steel area (predicted area) that is larger than the area of the observation area (inspection reference area) was predicted using a statistical method. a step of calculating a predicted value of the maximum inclusion diameter;
A predictive evaluation method for the cleanliness of steel materials with excellent inclusion identification accuracy.
前記の統計的手法は極値統計法であって、検査基準面積が100mm2、予測面積が30000mm2の条件で、鋼材中の最大介在物径を予測することを特徴とする請求項6に記載の介在物識別精度に優れた鋼材の清浄度の予測評価方法。 7. The statistical method is an extreme value statistical method, and the maximum inclusion diameter in the steel material is predicted under conditions of an inspection reference area of 100 mm 2 and a predicted area of 30000 mm 2 . A predictive evaluation method for the cleanliness of steel materials with excellent inclusion identification accuracy.
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