image analysis as an applicative mean of indentation depth determination

5
www.mejournal.org Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 doi:10.14355/me.2014.0303.02 104 Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination M. Azami Ghadikolaei 2,1 , M. Naderi 1 , K. Sardashti 3 , M. Iranmanesh 4 1 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology, Hafez Ave.424, Tehran, Iran 2 Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Azadi Ave, Tehran, Iran 3 Advanced Materials and Processes Program (MAP), University of ErlangenNürnberg, Martens st.57, Erlangen, Germany 4 Department of Marine Engineering, Amirkabir University of Technology, Hafez Ave.424, Tehran, Iran 1 Corresponding author: Milad Azami Ghadikolaei Tel: +9801233232478, Email: [email protected] Received 14 July, 2013; Accepted 31 July, 2013; Published 9 June, 2014 © 2014 Science and Engineering Publishing Company Abstract A practical noncontact technique has been developed with the purpose of estimating depth of residual impressions remained after serial indentation. A simple imageprocessing step was employed to analyze the pictures of indentation points obtained by conventional photography at close distances. Brightness levels of the indents that were obtained by the image analysis have been correlated with penetration depths, based on the inversesquare light attenuation law. For a single indent, the penetration depth estimated by the suggested brightnessdepth correlation has been compared to the real depth measured by AFM. The deviation level of below 5% suggests that this technique can be a viable alternative to current expensive depth sensing methods. Keywords Serial Indentation; Depth Measurement; Image Analysis Introduction Hardness testing is one of the most common tests done to evaluate behavior of materials. Apart from the hardness values, depth of the impressions formed contain useful information concerning mechanical behavior of the tested materials. Normally, depth measurement can be implemented by in situ and ex situ depth sensing. In situ techniques employs high resolution instruments that can continuously monitor the loads and displacements experienced by the indenter through the thorough course of loading and unloading[1, 2]. Resulting load–displacement curves may provide useful information concerning elastic and plastic deformation, Young modulus, fatigue and creep behavior of the material examined [36]. In situ techniques require high accuracy, complex and expensive instruments to measure displacement of indenter concurrent to loading. Therefore, in situ techniques are suggested to be replaced by ex situ depth sensing that can be implemented by using piezoelectric probes [7] or 3Dimaging laser interferometry [8] to scan residual impressions. Nevertheless, such techniques require long testing times and elaborate instrumentation sets. Ex situ depth measurement can be simplified by means of a combination between scanning hardness testing and image analysis [9]. Objective of this work is to introduce a simple and accurate technique to estimate depth of indents by employing inversesquare light attenuation law [10]. Through fitting of experimentallyderived depth and light intensity values in attenuation equation respective constants were obtained. Accuracy of the equation was then examined by comparing the estimated and real indentation depths through AFM investigation of a single indent. Materials and Methods As the indentation sample, an austenitic A 321 stainless steel block of 2cm×2cm ×4cm in dimension, was first grinded and polished carefully through conventional metallographic techniques and then

Upload: shirley-wang

Post on 01-Apr-2016

219 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

http://www.me-journal.org/paperInfo.aspx?ID=9719 A practical noncontact technique has been developed with the purpose of estimating depth of residual impressions remained after serial indentation. A simple image-processing step was employed to analyze the pictures of indentation points obtained by conventional photography at close distances. Brightness levels of the indents that were obtained by the image analysis have been correlated with penetration depths, based on the inverse-square light attenuation law. For a single indent, the penetration depth estimated by the suggested brightness-depth correlation has been compared to the real depth measured by AFM. The deviation level of below 5% suggests that this technique can be a viable alternative to current expensive depth sensing methods.

TRANSCRIPT

Page 1: Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

doi:10.14355/me.2014.0303.02 

104 

Image Analysis as an Applicative Mean of 

Indentation Depth Determination M. Azami Ghadikolaei2,1, M. Naderi1, K. Sardashti3, M. Iranmanesh4 

1Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology, Hafez 

Ave.424, Tehran, Iran 

2Department of Materials Science and Engineering, Sharif University of Technology, Azadi Ave, Tehran, Iran 

3Advanced Materials and Processes Program (MAP), University of Erlangen‐Nürnberg, Martens st.5‐7, Erlangen, 

Germany 

4Department of Marine Engineering, Amirkabir University of Technology, Hafez Ave.424, Tehran, Iran 

1 Corresponding author: Milad Azami Ghadikolaei Tel: +98‐0123‐3232478, E‐mail: [email protected] 

 

Received 14 July, 2013; Accepted 31 July, 2013; Published 9 June, 2014 

© 2014 Science and Engineering Publishing Company  

 

 Abstract 

A  practical  noncontact  technique  has  been  developed 

with  the  purpose  of  estimating  depth  of  residual 

impressions  remained  after  serial  indentation.  A  simple 

image‐processing step was employed to analyze the pictures 

of indentation points obtained by conventional photography 

at close distances. Brightness  levels of the  indents  that were 

obtained  by  the  image  analysis  have  been  correlated with 

penetration  depths,  based  on  the  inverse‐square  light 

attenuation  law.  For  a  single  indent,  the penetration depth 

estimated by the suggested brightness‐depth correlation has 

been  compared  to  the  real  depth measured  by  AFM.  The 

deviation level of below 5% suggests that this technique can 

be  a  viable  alternative  to  current  expensive  depth  sensing 

methods. 

Keywords 

Serial Indentation; Depth Measurement; Image Analysis 

Introduction

Hardness  testing  is  one  of  the  most  common  tests 

done to evaluate behavior of materials. Apart from the 

hardness  values,  depth  of  the  impressions  formed 

contain  useful  information  concerning  mechanical 

behavior  of  the  tested  materials.  Normally,  depth 

measurement  can  be  implemented  by  in  situ  and  ex 

situ  depth  sensing.  In  situ  techniques  employs  high 

resolution  instruments  that  can  continuously monitor 

the  loads  and  displacements  experienced  by  the 

indenter  through  the  thorough  course of  loading  and 

unloading[1, 2]. 

Resulting  load–displacement  curves  may  provide 

useful  information  concerning  elastic  and  plastic 

deformation,  Young  modulus,  fatigue  and  creep 

behavior of the material examined [3‐6]. 

In situ techniques  require high accuracy,  complex and 

expensive  instruments  to  measure  displacement  of 

indenter  concurrent  to  loading.  Therefore,  in  situ 

techniques  are  suggested  to  be  replaced  by  ex  situ 

depth  sensing  that  can  be  implemented  by  using 

piezoelectric  probes  [7]  or  3D‐imaging  laser 

interferometry  [8]  to  scan  residual  impressions. 

Nevertheless,  such  techniques  require  long  testing 

times and elaborate instrumentation sets. Ex situ depth 

measurement  can  be  simplified  by  means  of  a 

combination  between  scanning  hardness  testing  and 

image analysis [9]. 

Objective  of  this  work  is  to  introduce  a  simple  and 

accurate  technique  to  estimate  depth  of  indents  by 

employing  inverse‐square  light  attenuation  law  [10]. 

Through  fitting  of  experimentally‐derived  depth  and 

light  intensity  values  in  attenuation  equation 

respective  constants  were  obtained.  Accuracy  of  the 

equation  was  then  examined  by  comparing  the 

estimated  and  real  indentation  depths  through AFM 

investigation of a single indent. 

Materials and Methods

As  the  indentation  sample,  an  austenitic  A  321 

stainless  steel  block  of  2cm×2cm  ×4cm  in  dimension, 

was  first  grinded  and  polished  carefully  through 

conventional  metallographic  techniques  and  then 

Page 2: Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

105 

underwent  the  serial  indentation  technique 

developed  by  Naderi  et  al.  in  RWTH  Aachen[11]. 

The  measurement  was  implemented  in  Vickers  scale 

with 10 N loading on a measurement area of 7.29 mm2, 

comprising  100  indentation  points  of  0.3  mm  in 

distance. 

Using  a  conventional  photography  camera  equipped 

with  a  100‐macro  lens,  images  of measurement  area 

were  obtained  at  approximately  10  mm‐distances 

from  the  sample’s  surface.  The  images  were  then 

analyzed  by  OriginLab  8.0  software  and  brightness 

profiles were  acquired  in  form of both  linear profiles 

and  colored  contour  graphs.  Relative  brightness 

values  assumed  to  be  linearly  correlated  with 

reflected  light  intensity  were connected to penetration 

depths. The constants of  the suggested equation were 

finally found through curve fitting. 

To  confirm  experimentally  the  predictions  of  the 

resulting  equation,  real  penetration depth for a single 

indent has been found by AFM microscopy. Measured 

penetration depth was  compared  to  correlation  result 

for  the  same  indent  and  a measure  of  the  relation’s 

errors has been obtained. 

Results and Discussions

Result  of  the  initial  scanning  hardness  has  been 

tabulated  in  Table  1.  The  minimum  and maximum 

hardness  that  have  been measured  are  360 HV  and 

492 HV and  the average over 100  indentation  points 

is  440 HV.   

Assuming  negligible  amounts  of  elastic  deformation 

throughout  the  indentation  process,  the  penetration 

depths has been estimated by  the main equation  that 

relates hardness to indentation load and depth as [12]: 

d=0.062×(F/HV)1/2                            (1) 

Where  in  F  is  the  indentation  load  in  N,  d  is 

penetration depth  in mm and HV is  the magnitude of 

Vickers  hardness.  The  equation  is  established  to 

predict  indents depth at 10N  indentation  load  for  test 

wherein  specimen’s  thickness  is  at  least  ten  times 

thicker than indentation depth. Through applying Eq.1 

to  hardness  value  for  each  indentation  point, 

respective  penetration  depth  has  been  obtained 

(Table1). 

Grayscale  image  of  the  test  area,  taken  at  a  normal 

angle  to  the  sample  surface  is  illustrated  in  Figure  1 

with  brightness  variation  graphs  along  the  yellow 

perpendicular  lines, on  the  top  and  right  sides of  the 

image  (30002 Lux for  the shown  indent). Brightness  is 

expressed  in  Lux  (Lx)  unit  that  accounts  for 

illuminance  with  considering  the  reflect‐  ing  sample 

surface  as  a  distinct  illumination  source.  Indentation 

points appear in form of white bright points lying in a 

dark gray matrix, which  represents  the  intact  zone  in 

the  scanned  area.  The  contrast  in  brightness  can  be 

explained  by  the  difference  between  the  indents  and 

TABLE 1. HARDNESS MAGNITUDES IN 10×10 POINTS SCANNING ZONE FOR INDENTATION DISTANCE OF 0.3 MM. 

Hardness [HV10] and Penetration Depth [d(μm)]

 X 

Y 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 

1 419  384  414  387  384  403  404  393  372  390  HV10

9.578  10.005 9.636  9.966  10.005 9.767  9.754  9.89  10.165  9.928  d

2 360  376  410  397  403  418  402  385  424  418  HV10

10.333  10.111 9.683  9.84  9.767  9.59  9.779  9.992  9.522  9.59  d

3 460  443  429  425  441  455  441  411  405  406  HV10

9.141  9.315  9.466  9.51  9.336  9.191  9.336  9.671  9.742  9.73  d

4 394  426  441  443  462  420  447  446  458  475  HV10

9.877  9.499  9.336  9.315  9.122  9.567  9.273  9.284  9.161  8.996  d

5 463  455  444  469  448  448  475  425  406  416  HV10

9.112  9.191  9.305  9.053  9.263  9.263  8.996  9.51  9.73  9.613  d

6 416  446  453  454  459  473  487  474  488  452  HV10

9.613  9.284  9.212  9.202  9.151  9.015  8.884  9.005  8.875  9.222  d

7 453  470  464  452  478  441  473  452  415  458  HV10

9.212  9.044  9.102  9.222  8.968  9.336  9.015  9.222  9.624  9.161  d

8 432  471  453  466  453  438  446  492  464  440  HV10

9.433  9.034  9.212  9.082  9.212  9.368  9.284  8.839  9.102  9.347  d

9 449  434  455  440  447  476  459  448  464  459  HV10

9.253  9.411  9.191  9.347  9.273  8.986  9.151  9.263  9.102  9.151  d

10 479  449  482  443  475  461  476  446  468  441  HV10

8.958  9.253  8.93  9.315  8.996  9.131  8.986  9.284  9.063  9.336  d

Page 3: Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

106 

their  intact matrix  in  reflection of  light  received  from 

sample’s surrounding. 

In  addition,  deviations  from  the  desired  indentation 

pattern  can  be  inspected  in  some  regions  with 

observation  of  extra  indentation  points  within  the 

standard 0.3‐mm spacing. However, the data related to 

those  points  have  been  neglected  in  further  steps  of 

calculations. In order to facilitate the process of finding 

the  maximum  Lx  for  each  indent,  the  colored  2D 

brightness  contour  map  can  be  very  helpful.  As  a 

result, the brightness variation in the vicinity of single 

indents  was  shown  in  Fig.  2.  Central  point  of  the 

majority  of  indents  is  colored  in  yellow  which 

represents  the  maximum  Lx.  The  intact  surface  is 

covered  by  the  dark  blue  color  reflecting  light 

intensity  of 0 to 8750 Lx. Nonetheless, in most of areas 

surrounding  the  indents, as being  slightly affected by 

indenter  compressive  force,  relatively  higher  light 

reflection  intensity  (from  8750  to  17500  Lx)  has  been 

detected through the light blue color contours. 

 

FIGURE 1. GRAYSCALE PICTURE OF THE HARDNESS SCANNING AREA WITH LIGHT INTENSITY GRAPHS OVER THE VERTICAL 

AND HORIZONTAL MEASURE LINES. FOR PRESENTED INDENT, THE MAXIMUM LX IS 30002, SHOWN IN Z‐VALUE BOX. 

 

FIGURE 2. COLORED CONTOUR MAP OF BRIGHTNESS WITH VERTICAL AND HORIZONTAL MEASURE RULERS AND THE RESPECTIVE 

BRIGHTNESS VARIATIONS ALONG THEM. FOR PRESENTED INDENT, THE MAXIMUM LX IS 50903, SHOWN IN Z‐VALUE BOX. 

Page 4: Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination

Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014                                                                 www.me‐journal.org

107 

Establishment of a correlation between brightness and 

indentation  depth  requires  attribution  of  a  single 

magnitude for brightness to each indent. This has been 

achieved  by  setting  the  intersection  of  two  yellow 

measure  lines at  indentation each point manually and 

record the highest brightness achieved. 

To  correlate  the  brightness  with  depth  we  use  the 

basic  physical  namely  inverse‐square  law  that 

illuminance (Lx)  is  inversely proportional to square of 

light travelling distance as [11]: 

Lx = cd‐2+b                                   (2) 

Where  d  is  the  indentation  depth  and  c  is  the 

proportionality  constant.  Another  constant  is  b  that 

accounts  for  the  fixed  distance  of  the  lens  from  the 

sample surface. To fit the data for penetration depth (d) 

and  illuminance  (Lx acquired  from Figure 2  for each 

indents) in inverse‐square law, we rewrite Eq.2 as: 

Lx= m + n × (10000/d2)                           (3) 

Which  relates 10000.d‐2 as a multiple of depth  to  light 

intensity.  Subsequently,  the  values  for  illuminance 

and inverse‐square of depth have been fitted by linear 

curve  fitting  to  Eq.3  as  shown  in  Figure  3. As  result 

shows,  m  and  n  are  equal  to  61909.55  and  17.63, 

respectively. 

Error  level  of  the  suggested  light  intensity‐depth 

equation  had  to  be  determined  by  means  of  AFM 

precise  depth measurement.  Figure  4a  illustrates  the 

2D depth map of the indent located  at  the  9th row  and 

6th column  of  the  10  ×  10  indent matrix, resulted from 

AFM  measurements.  According  to  the  pale  orange 

color  of  indent’s  surrounding  area  compared  to  the 

black color of central tip, the  indentation depth can be 

estimated at 7 or 8 μm. 

 

FIGURE 3. GRAPHIC REPRESENTATION OF LINEAR CURVE FITTING OF LIGHT INTENSITY OVER 10000.d ‐2 SHOWING DATA POINTS 

FIT WELL TO A LINEAR BEHAVIOR SHOWN BY RED LINE. THE GRAPH SHOWS NO LARGE DEVIATION FROM LINEAR BEHAVIOR. 

 

FIGURE  4. AFM MEASUREMENT RESULTS  IN  FORM OF a)  2D HEIGHT MAP OF THE SINGLE  INDENT AT  9th ROW AND  6th 

COLUMN, A) VERTICAL DISPLACEMENT TRACK OF THE PROBE THROUGH SCANNING OF THE INDENT. 

Page 5: Image Analysis as an Applicative Mean of Indentation Depth Determination

www.me‐journal.org                                                                 Journal of Metallurgical Engineering (ME) Volume 3 Issue 3, July 2014 

108 

On  the  other  hand,  exact  depth  is  calculated  using 

the  SPM  software  to  monitor  the  vertical 

displacement of  the AFM probe  throughout  scanning 

of  the  indent  (Figure  4b).  The  difference  in  height 

between deepest and edge points that are specified by 

the two red cursors,  is 8.49 μm. This height difference 

of 8.49  μm  is an  equivalent  to  the  indentation depth. 

The  indentation  depth  obtained  by  inserting  the 

corresponding  illuminance  of  the  investigated  indent 

(64210  lx)  into  Eq.3  is  8.75  μm  that  exhibits  a  3.06% 

deviation from the AFM‐resulted depth. Therefore, the 

correlation  error  is  in  an  acceptable  margin  and  its 

application is encouraged. 

Regarding  the  inverse  proportionality  of  Vickers 

hardness to square of indent base square diagonal and 

the  linear  dependency  of  penetration  depth  on 

diagonal  length,  a  linear  equation  similar  to Eq.2 has 

been  established  to  correlate  hardness  with 

illuminance. The  average  base  square diagonal  found 

by AFM measurements was  60.15  μm.  The  resultant 

hardness  magnitude  was  522  HV  from  which  the 

hardness  value  predicted  by  the  respective  linear 

equation (501 HV) showed approximated deviation of 

4%. 

Conclusion

In  this  paper  a  quick,  inexpensive  and  simple 

technique  to  obtain  indentation  depth  has  been 

introduced.  Serial  indentation  was  done  for  a 

hundred  points  and  a  conventional  camera, 

equipped with  a  100 micro  lens,  took  picture  of  the 

indentation surface at  close distances.    The picture  is 

analyzed  by  image  analysis  and  a  single  light 

intensity  value  is  assigned  to  each  indent.  Finally,  a 

linear equation that correlates brightness (illuminance) 

with  indenter  penetration  depth  has  been  suggested. 

The  resultant  values  showed  errors  of  below  %5 

relative  to  true  depth  found  by  AFM 

measurements.  Therefore,  this  simple  procedure 

offers  a  technically  feasible  and  precise  route  to 

determine  the  depth  of  impressions  formed  by 

indentation. 

REFERENCE

[1] M.F.  Doernera  and  W.D.  Nixa,  Journal  of  Materials 

Research, vol. 1, pp. 601‐609, 1986.  

[2] B. F.  Ju and Y.  Ju, Measurement Science and Technology, 

vol. 17, pp. 1776‐1784, 2006. 

[3] Sahin,  O.  Uzun,  U.  Kolemen  and  N.  Ucar,  Materials 

Characterization, vol. 59, pp. 729‐736, 2008. 

[4] J. Gubicza, A.  Juhász and  J. Lendvai,  Journal of Materials 

Research, vol. 11, pp .2964‐297, 1996.  

[5] Y.W. Bao, W. Wang and Y.C. Zhou, Acta Materialia, vol. 52, 

pp. 5397‐5404, 2004.  

[6] G.A.  Zickler,  T.  Schöberl  and  O.  Paris,  Philosophical 

Magazine, vol. 86, pp. 1373‐1386, 2006.  

[7] D. Yang, T.J. Wyrobek, US patent 2005/0283985 A1, 2005. 

[8] E.  Valero,  V.  Micó,  Z.  Zalevsky  and  J.  García,  Optic 

Communications, vol. 283, pp. 3122‐3128, 2010. 

[9] M.  Naderi, K.  Sardashti, A.  Sharbatian, M.  Iranmanesh, in:    

IMEKO    2010    TC5  Conference,  Pattaya,  Chonburi, 

Thailand, 2010. 

[10] F. Bueche, D.L. Wallach, Technical Physics,  4th  ed.,  John 

Wiley and Sons, New York, 1994. 

[11] M. Naderi, A. Saeedakbari, W. Bleck, Materials Science and 

Engineering: A, vol. 487, pp. 445‐455, 2008. 

[12] A.  A1038,  in,  ASTM  International, West  Conshohocken, 

Pennsylvania, United States, 2010.