La caractérisation du graphite par analyse d’images

Detection de la forme de graphique en analyse d'images sur une fonte à graphite sphéroïdale.

Detection de la forme de graphique en analyse d'images sur une fonte à graphite sphéroïdale.

La caractérisation de la forme du graphite des fontes moulées par analyse d’images est un élément important à évaluer pour déterminer la conformité d’une pièce ou valider son procédé d’élaboration. Il a donc fallu mettre en place une méthode, à l’aide du logiciel Olympus Stream associé au microscope Olympus GX-53 à platine motorisée, pour déterminer précisément les formes de graphite en présence sur des échantillons de référence.

Les étapes de préparation pour une analyse micrographique par analyse d’images

Dans cette étude, les zones à étudier sont déjà déterminées mais dans le cas d’une expertise, il s’agira tout d’abord de choisir la zone d’intérêt à analyser. Les échantillons prélevés sont enrobés puis polis en suivant minutieusement le mode opératoire approprié aux fontes GS. Ces étapes de polissages sont nécessaires afin d’avoir des échantillons plans et totalement dépourvus d’artefacts de polissage (comme les rayures).

La zone d’analyse est obtenue par acquisition d’images jointives (grâce à la platine motorisée) et par l’assemblage de ces images par la technique dite de reconstruction d’images. Bien que le microscope ait la capacité d’ajuster automatiquement le focus, une bonne planéité facilitera et améliorera l’étape de reconstruction des images.

Un dernier point essentiel lors du polissage des fontes GS est de réaliser des séquences d’attaque métallographique et de polissage pour s’affranchir des phénomènes de recouvrement de la matrice sur le graphite. Le réactif utilisé est une solution de nital à 4%. La durée de chaque attaque est de 5 secondes. L’opération est donc importante pour ne pas fausser la détection des formes. Un polissage optimum permet de diminuer les opérations de traitement d’image et d’améliorer la fiabilité des résultats obtenus.

Les réglages de l’image

Importance de la luminosité - erreurs de reconstruction possible.
Importance de la luminosité – erreurs de reconstruction possible.

Comme pour toute analyse micrographique, l’obtention d’une image la plus représentative de ce que l’on souhaite observer est primordiale. Dans le cas des fontes GS, les points importants sont de distinguer clairement les particules de graphite par rapport à la matrice mais également de différencier très clairement les particules de graphite les unes des autres. Le réglage de la luminosité, de la netteté ainsi que du contraste sont des éléments majeurs pour le bon déroulement des analyses. Toutefois, les outils de traitement d’image s’avèrent très utiles pour améliorer la détection des formes en présence. La luminosité est importante car, selon les informations données ci-dessus, une reconstruction d’images est effectuée. En effet, si la luminosité est mal réglée, des bandes de transition entre les différentes images de la reconstruction seront observées (voir figures ci-dessus) et le seuillage des particules de graphites sera moins précis.

Par ailleurs, le grossissement utilisé doit être choisi pour suivre les recommandations de la norme NF A 04-197 (2017), à savoir : une trentaine de particules par champs (images) et au moins 500 particules analysées au total pour aboutir à des résultats statistiques fiables.

Les erreurs de reconstruction en analyse d’images

Les erreurs de reconstruction peuvent provenir de plusieurs facteurs ; la luminosité ou le chevauchement entre images. Au niveau de la luminosité tout d’abord, il ne faut pas surexposer l’image pour ne pas faire disparaître les détails fins du graphite.

Importance du chevauchement entre deux clichés consécutifs.
Importance du chevauchement entre deux clichés consécutifs.

Le chevauchement, quant-à-lui, correspond à la partie commune entre deux clichés consécutifs qui seront superposés. Si celui-ci est trop faible (proche de 0 %), l’image peut être mal reconstituée et peut couper certaines particules ou les faires apparaitre en double (voir figure ci-contre). Un chevauchement de 5 % à 10 % permet une reconstruction correcte.

Traitement d’image

Différents filtres morphologiques (outils de traitement d’image) sont disponibles avec le logiciel Stream associé au microscope Olympus : érosion, dilatation, ouverture, fermeture… Ces filtres peuvent être très utiles pour éliminer des artefacts de polissage ou améliorer la détection des objets d’intérêt. Cependant, il faut être prudent lors de leur utilisation pour ne pas modifier les objets sur l’image (les particules de graphite dans notre cas) et les grandeurs à mesurer. Dans le cas de la caractérisation de la forme du graphite, le filtre « ouverture » est très utile pour effacer les éventuelles rayures de polissage. L’ouverture est une érosion suivie d’une dilatation. Ce filtre permet également d’améliorer la différenciation des particules lorsqu’elles sont proches l’une de l’autre par exemple et permet également d’éliminer le bruit. Cependant, il faut garder en tête que ces opérations doivent rester cohérentes par rapport à l’objectif, et dans notre cas, l’opération d’ouverture doit rester faible pour ne pas déformer les particules.

L’optimisation du contraste

Optimisation du contraste- non contrasté (gauche)- contrasté (droite) en analyse d'images.
Optimisation du contraste- non contrasté (gauche)- contrasté (droite) en analyse d’images.

Le niveau de gris étant bien démarqué sur la photo de droite par rapport à celle de gauche, le seuillage du graphite s’effectuera beaucoup plus facilement évitant ainsi des erreurs comme un mauvais remplissage des particules ou bien un seuillage excessif qui engloberait une partie de la matrice. En réalisant ces simples opérations, beaucoup d’erreurs d’analyse sont supprimées. Toutes les opérations de réglage ayant été correctement effectuées, les opérations de traitement d’image peuvent être engagées.

L’opération d’ouverture en analyse d’images

L’opération d’ouverture, appliquée sur l’image, présente plusieurs intérêts. Dans cet exemple, l’opération d’ouverture permet de distinguer clairement les deux particules situées en haut à droite de l’image. Les particules très petites sont également éliminées (à savoir que les particules de moins de 5 µm de diamètre ne sont pas prises en compte dans les analyses). L’opération doit être cependant très faible pour ne pas diminuer la taille de toutes les particules.

Analyse d'images - analyse des particules de graphite avec et sans opération d'ouverture.
Analyse d’images – analyse des particules de graphite avec et sans opération d’ouverture.

Sur la figure ci-dessus, nous avons comparé une analyse de particules sans traitement et avec traitement d’ouverture avant seuillage. Les couleurs indiquent des formes différentes de graphite. On s’aperçoit que les particules classées en forme V (en violet) sur le traitement sans ouverture s’avèrent être de forme VI (en bleu) en réalité lorsque le traitement intègre bien l’opération d’ouverture qui permet de différencier correctement des particules très proches.

Le filtre morphologique d’érosion pourrait également convenir pour réaliser une opération consistant à séparer deux particules proches l’une de l’autre mais l’ouverture accentue le traitement sur la zone de contact entre les deux particules là où l’érosion se fait proportionnellement tout autour de la particule.

Elimination des rayures avec l'opération d'ouverture en analyse d'images.
Elimination des rayures avec l’opération d’ouverture en analyse d’images.

De plus, l’opération d’ouverture permet d’éliminer les rayures comme on peut le constater sur la figure ci-dessus sans modifier l’aspect des particules.

Les résultats de l’analyse d’image sur deux échantillons de référence

Deux facteurs de forme sont utilisés pour classer les particules selon leur forme (de I à VI selon les normes NF A 04-197 et NF EN ISO 945-1) : Le facteur de Fischmeister (F1) ou facteur de sphéricité : facteur de forme calculé à partir du périmètre P de la particule et de son aire A et le facteur d’allongement (F2) : facteur de forme calculé à partir du diamètre de Féret maximal (FMax) et de l’aire A. Les deux figures ci-dessous donnent un exemple (sur deux échantillons de référence dits FP2P1 et FP2P4) de la répartition des formes de graphite entre un traitement d’image correcte (vue de droite) et un traitement incorrecte (vue de gauche).

Histogramme de repartition des formes du graphite en analyse d'images.
Histogramme de repartition des formes du graphite en analyse d’images.
Histogramme de repartition des formes du graphite en analyse d'images - autre échantillon.
Histogramme de repartition des formes du graphite en analyse d’images – autre échantillon.

La comparaison des résultats montre l’importance des étapes de préparation de l’échantillon, de réglage et de traitement des images. Après optimisation des filtres, davantage de particules de forme VI sont détectées : le taux de nodularité de la fonte (somme des formes V et VI) est également augmenté.

Conclusion

Les résultats obtenus montrent clairement l’importance de suivre rigoureusement les différentes étapes suivantes : préparation minutieuse des échantillons pour limiter les artefacts de polissage, réglage optimum des images et enfin utilisation de filtres morphologiques adaptés pour améliorer la détection des particules. Le respect de l’ensemble de ces étapes permet d’aboutir à une analyse d’images de qualité et à l’obtention de résultats justes et cohérents. Ces résultats vont pouvoir ensuite alimenter la réflexion d’un expert dans le cadre d’une expertise de pièce non conforme, la mise au point d’un process ou le développement d’une nuance optimisée de fonte.

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