MEDIÇÃO AUTOMÁTICA DA DUREZA BRINELL UTILIZANDO TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO E ANÁLISE DE IMAGEM

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1 MEDIÇÃO AUTOMÁTICA DA DUREZA BRINELL UTILIZANDO TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO E ANÁLISE DE IMAGEM Victor Hugo C. Albuquerque 1, João Manuel R. S. Tavares* 1, 2, Pedro Pedrosa R. Filho 3 1 Fac. de Eng. da Universidade do Porto (FEUP) Inst. de Eng. Mecânica e Gestão Industrial (INEGI) - Porto, PORTUGAL * {victor.albuquerque, tavares}@fe.up.pt 2 Dep. Eng. Mecânica e Gestão Industrial da FEUP (DEMEGI) 3 Universidade Federal do Ceará, Depart. Engª de Teleinformática - Fortaleza, BRASIL * pedrosa_rf@hotmail.com RESUMO O ensaio de dureza Brinell é fundamental para a avaliação das propriedades mecânicas de materiais metálicos, pois a partir desta medição é possível determinar a resistência ao desgaste, ductilidade, tensão de escoamento, entre outras propriedades. Neste sentido, o presente trabalho teve como objectivo principal desenvolver um sistema automático, baseado em binarização por histograma e crescimento de regiões, e capaz de obter a dureza Brinell a partir de imagens. Para validação experimental, realizaram-se comparações entre os resultados obtidos através do processo manual usual, da tabela respectiva da norma ABNT NBR NM e usando o sistema desenvolvido, sendo este o que apresentou melhores resultados. Portanto, o sistema proposto torna a medição automática da dureza Brinell rápida, precisa e independente da interpretação do operador. Palavras-Chave: ensaio mecânico, identação, dureza Brinell, processamento e análise de imagem. INTRODUÇÃO Os ensaios mecânicos para medições de durezas são utilizados em larga escala para especificar e qualificar algumas das características mecânicas presentes nos materiais metálicos. O valor da dureza de um material permite estimar, através de cálculos matemáticos, a resistência ao desgaste e fornecer informações sobre ductilidade, tratamento térmico, tensão de escoamento e de corte, entre outras características. Define-se dureza como a resistência que um material apresenta à penetração de um objecto ou ao risco que este causa na sua superfície. A área da Ciência dos Materiais define dureza como a propriedade que o material possui de resistir a deformações permanentes, sendo proporcional à força de ligação dos átomos, [Hibbeler, 2000]. Actualmente os principais ensaios de dureza são: Brinell, Rockwell, Vickers e Knoop. O ensaio Brinell, utilizado neste trabalho, é discutido na secção seguinte, enquanto os ensaios Brinell, Rockwell e Knoop podem ser verificados, por exemplo, em [Souza, 1982] e em [Callister, 2006]. Para a realização do vários ensaios Brinell considerados neste trabalho utilizou-se a máquina VEBWERKSTOFFPRÜFMASCHINEN LEIPZIG ZD-20, Figura 1.

2 O dispositivo mostrador, apresentado na Figura 1, segue as especificações sugeridas pela norma da ABNT NBR NM 187-2, [ABNT, 1999], devendo estar devidamente visível e focado com a região da identação do corpo de prova. Este foco é realizado através de um microscópico interno da mesma máquina. Além destes factores, deve-se determinar o valor coreto da carga a ser aplicada sobre o material a ser ensaiado, de acordo com as propriedades do mesmo. Para o ensaio de dureza Brinell, o valor desta carga pode variar de 500 a 3000 kgf. Figura 1: Máquina de ensaio de dureza Brinell usada (esquerda) e respectivo dispositivo mostrador (direita). A medição manual de durezas é bastante subjectiva, pois a leitura do valor do diâmetro ou diagonal da identação do penetrador depende directamente do ângulo de visão do operador (efeito de paralaxe) e da calibração do equipamento. Por outro, é importante salientar que a fadiga, o cansaço, o número repetitivo de ensaios podem causar leituras incorrectas por parte do operador. Neste contexto, este trabalho teve como objectivo principal desenvolver e analisar um sistema automático capaz de mensurar o valor da dureza Brinell a partir da identação sobre o corpo de prova. Para tal, utilizam-se técnicas de processamento digital de imagem como binarização por histograma e crescimento de regiões, sendo realizada a medição das diagonais da identação após o crescimento das regiões presentes na imagem binarizada. Os resultados obtidos pelo sistema proposto são comparados neste trabalho com os obtidos pelo procedimento convencional de medição de dureza Brinell, bem como pela conversão dos valores médios das diagonais da identação da tabela da norma ABNT NBR NM associada. Desta forma, é possível avaliar a eficiência e eficácia do sistema desenvolvido. DUREZA BRINELL O método manual de medição de dureza Brinell utiliza penetradores esféricos, que podem ser de aço para matérias com dureza até 350 HB e metal duro (tungsténio) para matérias com dureza entre 350 a 650 HB. A escolha dos penetradores está relacionada com as propriedades mecânicas do material em análise, bem como a escolha do diâmetro da esfera. Para medição manual, a esfera mais utilizada é a que apresenta dimensão igual a 2.5 mm com a

3 consideração da tabela da norma ABNT NBR NM Além deste diâmetro, o ensaio de dureza Brinell pode utilizar esferas com 5 e 10 mm de diâmetro. Para a aplicação do ensaio Brinell, o corpo de prova deve estar com a superfície livre de oxidações, manchas, lubrificantes, ou seja, substâncias estranhas. A superfície deve estar plana e bem acabada para que o operador tenha a certeza de que a medição estará correcta. Deve ser garantido que não haverá deformações no lado oposto ao da superfície submetida ao ensaio, por isso, a amostra deve ter no mínimo uma espessura de oito vezes o diâmetro da penetração, [Koeppel & Subhash, 1997]. Além disso, deve-se evitar vibrações e choques sobre o equipamento. O diâmetro da impressão do penetrador no corpo de prova deve ser medido no dispositivo mostrador da máquina e o seu valor convertido em dureza de acordo com a tabela préestabelecida na norma ASTM E140-05e1, [ASTM E140-05e1, 2005]. O dispositivo mostrador deve seguir as especificações sugeridas pela norma da ABNT NBR NM devendo garantir para o ensaio a aplicação de forças que variam de N a kn. O dispositivo mostrador deve ainda estar devidamente visível e focado com a região da impressão do corpo de prova, sendo este foco realizado através de um microscópico interno da própria máquina. Após a actuação do penetrador sobre o corpo de prova, o operador deve medir o valor das diagonais da calota deixada pela esfera sobre a amostra através do dispositivo mostrador da máquina de ensaio. O valor médio dessas diagonais é utilizado para conversão da dureza de acordo com a tabela da norma NBR NM ou por cálculo usando a equação: HB = πd[ D 2P 2 D, d 2 ] em que P representa a carga aplicada em Kgf, D o diâmetro da esfera penetradora e d a diagonal média da identação em mm. Para obter resultados satisfatórios de medição de dureza Brinell, os corpos de prova são preparados de acordo com a norma ABNT NBR NM 187-1, eliminando as impurezas presentes na superfície do material. Para esta preparação, usualmente realiza-se a operação de metalografia utilizando lixas com granulometrias até 600 µm e pasta de diamante até 1/4 µm para o polimento, e em seguida realiza-se o ensaio. Para a aplicação do sistema desenvolvido, deve-se capturar a imagem da impressão da dureza através de microscopia óptica. A microfotografia não contém apenas o diâmetro da penetração, mas também diversos ruídos, principalmente devidos a riscos e inclusões, que podem interferir no processo de medição. Para eliminar esses ruídos, é necessário realizar um pré-processamento da imagem original utilizando técnicas básicas de processamento digital de imagem descritas a seguir. (1) PROCESSAMENTO DIGITAL DE IMAGEM Nesta secção, são abordadas as técnicas básicas utilizadas neste trabalho para a extracção e análise das características em microfotografias; nomeadamente, binarização por histograma e crescimento de regiões.

4 A binarização tem o objectivo de transformar uma imagem original em níveis de cinzento numa outra imagem com apenas dois níveis, que usualmente correspondem ao preto e ao branco, [Gonzalez & Woods, 2008]. Por seu lado, o histograma de uma imagem traduz a distribuição dos níveis de cinza na mesma, fornecendo informações úteis para realizar, por exemplo, operações de realce, contraste e segmentação, [Albuquerque, 2007]. Usualmente, o histograma é representado por um gráfico de barras que representa a distribuição dos níveis de cinzento de uma imagem (para imagens de 8 bits, com valores de intensidade de 0 a 255) nas coordenadas das abcissas e a quantidade de pixels com cada nível de cinzento nas ordenadas, [Gonzalez & Woods, 2008]. BINARIZAÇÃO POR HISTOGRAMA A primeira etapa que constitui o algoritmo computacional integrado no sistema desenvolvido é a binarização da imagem original. Esta binarização é realizada automaticamente a partir do histograma da imagem original. Na Figura 2 é apresentada uma imagem original de uma impressão da dureza Brinell e o respectivo histograma. No histograma representado, nota-se claramente que a região do lado esquerdo representa a zona da identação na imagem e a do lado direito a outra zona principal da mesma. Figura 2: Uma imagem original de uma impressão da dureza Brinell (esquerda) e respectivo histograma (direita). Após a imagem original ser binarizada através da binarização por histograma, que acontece através da identificação automática do nível de cinzento associado ao menor número de pixels que ocorre entre as duas zonas claramente identificadas no histograma, aplica-se na imagem binária resultante a técnica de crescimento de regiões para facilitar a posterior análise da região de interesse que no caso presente correspondente à identação. CRESCIMENTO DE REGIÕES Crescimento de regiões é uma técnica aplicada em processamento de imagens digitais para unir os pixels das regiões de interesse presentes numa imagem. Assim, esta técnica realiza a associação de grupos ou subgrupos de pixels. A agregação de regiões é determinada pela selecção de uma semente na região em análise através de características dos seus pixels. As características consideradas são obtidas,

5 normalmente, por parâmetros de intensidade, média local, variância local, entre outros, [Pratt, 2001]. Para a aplicação do algoritmo de crescimento de regiões, inicialmente determina-se uma região de interesse (RI) na qual deseja-se realizar a análise, sendo que esta pode ser subdividida em n regiões RI 1, RI 2,..., RI n, [Ballard & Brown, 1982; Gonzalez & Woods, 2008]. A equação relativa para a aplicação do crescimento de regiões é: n RI = U Ri, (2) i= 1 em que RI indica que a segmentação da região desejada deve ser completa. Ri é uma região conectada para i = 1, 2,..., n, em que Ri RI = ø para todo i = 1, 2,..., n, [Gonzalez & Woods, 2008]. Após obter a região de interesse (correspondente à identação) na imagem binarizada utilizando o algoritmo de crescimento de regiões, calculam-se as diagonais da identação na vertical e na horizontal, [Bottino & Ceballos, 2000]. RESULTADOS E DISCUSSÃO O sistema desenvolvido, utiliza técnicas de processamento e análise de imagem e foi implementado em linguagem de programação C++, e visa tornar mais rápido e preciso os resultados de medição da dureza Brinell. Para utilizar o sistema desenvolvido na medição da dureza Brinell, deve-se primeiramente preparar metalograficamente a amostra a considerar, para em seguida realizar o ensaio numa superfície inteiramente polida. Após o ensaio, a imagem da identação é capturada usando um microscópio óptico para posterior aplicação das técnicas de processamento e análise de imagem integradas no sistema desenvolvido. Na utilização do sistema desenvolvido, o seu operador deve começar por seleccionar a imagem a analisar. Em seguida, deve clicar sobre a impressão da amostra a analisar (zona circular de cor preta), Figura 3. Um exemplo de um resultado experimental obtido é apresentado na Figura 4, no qual a cor vermelha representa a região da impressão identificada pelo sistema desenvolvido. Na região identificada, é realizada a medição automática da dureza, sendo o valor obtido mostrado na caixa de resultados existente no diálogo apresentado, Figura 4. O sistema oferece ainda a opção de guardar a imagem de resultados obtida para que possa ser analisada mais tarde. Os resultados obtidos pelo cálculo manual, consultando a tabela correspondente da norma ABNT NBR NM e pelo sistema desenvolvido podem ser comparados na Tabela 1. Na referida tabela é ainda apresentada a diferença entre as médias dos resultados obtidos através dos métodos referidos e o valor da dureza do bloco padrão utilizado neste trabalho igual a 173 HB. Os resultados obtidos pelo sistema desenvolvido foram os que mais se aproximaram da dureza indicada para o bloco padrão usado, pois a média obtida para 10 medições efectuadas foi igual a HB, sendo a sua diferença para a dureza do bloco padrão igual a 0.97 HB.

6 Usando o método de medição convencional, a mesma diferença foi igual a 1.23 HB, tendo estas medições sido realizadas por um especialista qualificado na área. Por outro lado, a diferença de dureza entre o bloco padrão usado e os valores médios obtidos por meio da tabela da norma ABNT NBR NM e cálculo manual é de 1.2 HB e 1.23 HB, respectivamente. Figura 3: Interface do sistema desenvolvido com uma imagem correspondente à impressão de uma esfera de 2.5 mm de diâmetro. Figura 4: Resultado da medição de dureza Brinell a partir da imagem da Figura 3.

7 Tabela 1: Resultados da medição das durezas Brinell através do recurso da tabela normativa, do cálculo manual e usando o sistema computacional desenvolvido. Amostras Valor da Tabela (NBR NM 187-1) Cálculo Manual Sistema Computacional HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB HB Média HB HB HB Diferença relativamente ao bloco padrão (173 HB) 1.2 HB 1.23 HB 0.97 HB CONCLUSÕES A medição convencional da dureza Brinell é um processo cansativo, repetitivo e inteiramente dependente da interpretação da leitura das diagonais da identação pelo operador, estando assim propício à obtenção de erros nos resultados finais obtidos. Para tornar este ensaio mais preciso, rápido e menos subjectivo, desenvolveu-se neste trabalho um sistema baseado em técnicas de processamento e análise digital de imagem utilizando binarização por histograma e crescimento de regiões. O processo de medição automática de dureza Brinell usando o sistema proposto obtém resultados mais precisos e mais rápidos em relação ao procedimento convencional, além de ser totalmente independente do operador na leitura dos valores das diagonais, sendo esta a principal contribuição do sistema desenvolvido. Após validação do sistema desenvolvido, o mesmo está sendo implementado na máquina de dureza Brinell usada, entretanto equipada com uma câmara digital, o que permitirá a captura on-line da identação, auxiliando assim a análise do operador e a obtenção de resultados de medição de dureza Brinell de forma automática. AGRADECIMENTOS Ao Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará (CEFET CE), pelo apoio dado para a realização deste trabalho, em particular ao Laboratório de Ensaios Mecânicos (LEM) para realização dos ensaios metalográficos e a aquisição das imagens usadas, e ao Laboratório de

8 Engenharia de Sistemas de Computação (LESC) do Departamento de Engenharia de Teleinformática (DETI). REFERÊNCIAS Albuquerque, V.H.C; Cortez, P.C.; Alexandria, A.R.; Aguiar, W.A. & Silva, E.M., Image Segmentation System for Quantification of Microstructures in Metals Using Artificial Neural Networks, Revista Matéria (UFRJ)., 12 (2007), ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR NM 187-1: Materiais Metálicos - Dureza Brinell. Parte 1: Medição da Dureza Brinell. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR NM 187-2: Máquina de Medição de Dureza Brinell. Parte 2: Calibração de Máquina de Medição de Dureza Brinell. ASTM E10-01e1 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. ASTM E140-05e1, Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness, ASTM International, (2005). Callister, W., Materials Science and Engineering: An Introduction, USA: John Wiley and Sons, (2006). Gonzalez, R.C. & Woods, R., Digital Image Processing, 3 rd edition, USA, Addison-Wesley Publishing Company, (2008). HIBBELER R.C., Resistência dos Materiais, Terceira Edição, Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, (2000). Koeppel, B. J. & Subhash, G., An Experimental Technique to Investigate the Dynamic Indentation Hardness of Materials, Experimental Techniques, 21(1997), Pratt, W. K., Digital Image Processing: PIKS Inside, 3 rd edition, John Wiley & Sons, New York, USA, (2001). SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5. ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher, (1982).