e10-mse final report

54
Nick Renda MSE Module Section 402B 12/6/11 Final Report Figure 1. 1045 Steel, Martensite, 400x Magnification Figure 2. 1045 Steel, Pearlite, 400x Magnification

Upload: nick-renda

Post on 23-Oct-2015

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: E10-MSE Final Report

Nick  Renda  MSE  Module  

    Section  402B  12/6/11  

       

Final  Report    

Figure  1.  1045  Steel,  Martensite,  400x  Magnification  

 Figure  2.  1045  Steel,  Pearlite,  400x  Magnification  

 

Page 2: E10-MSE Final Report

  2  

Introduction       In  this  lab,  we  examined  the  microstructures  of  several  steel  and  brass  samples  to  get  a  better  understanding  of  how  microscopy  works,  and  to  become  better  at  analyzing  grain  boundaries  and  other  features  of  engineering  materials.  By  sanding  and  polishing  the  samples,  we  were  able  to  photograph  them  and  analyze  them  graphically  as  well  as  with  programs  like  ImageJ.  Looking  on  a  microscopic  level  at  commonplace  materials  like  brass  and  steel  enabled  us  to  understand  why  they  possess  such  unique  attributes,  and  how  different  microscopic  structures  result  in  different  overall  attributes.      

Methodology    

Brass  Sample  Preparation:    

After  receiving  my  C26000  Alloy  brass  sample,  I  chose  the  side  with  the  most  surface  area  and  ground  it  down  slightly  with  the  240-­‐grit  sandpaper  so  that  it  would  lie  flat  on  the  bottom  of  the  mold.  My  instructor  then  mixed  the  epoxy  with  the  hardener,  and  poured  it  into  my  mold.  I  positioned  my  brass  sample  inside  the  mold  so  that  the  selected  side  was  face  down,  and  waited  an  hour  for  the  epoxy  to  harden.  I  removed  my  sample  from  the  mold,  and  then  moved  on  to  the  grinding  phase.  

 In  order  to  keep  debris  from  building  up  on  the  sandpaper  while  I  was  

grinding  my  sample,  I  turned  on  the  water  by  rotating  the  knob  on  the  grinding  mount,  and  started  to  grind  my  sample  on  the  coarsest  grit  (240).  I  made  sure  to  maintain  steady  pressure  on  my  sample,  keep  it  flat,  and  avoid  rotating  it  or  grinding  it  back  and  forth.  Every  ten  or  so  grinds,  I  checked  the  bottom  of  the  sample—as  soon  as  I  only  saw  parallel  scratches  (meaning  the  previous  grit’s  scratches  were  no  longer  visible),  I  moved  up  to  the  next  grit  (320).  I  then  rotated  my  sample  90°  so  that  I  would  be  able  to  tell  when  the  old  scratches  were  gone  and  the  new  scratches  were  in  my  new  grinding  direction.  I  repeated  this  pattern—grind,  move  up  in  grit,  rotate  sample—as  I  moved  to  the  400  grit,  then  to  the  600,  and  finally  to  the  1500.    

    After  I  finished  grinding,  I  got  a  polishing  board  with  a  nylon  sheet  affixed  to  it,  and  rinsed  it  with  water  and  to  remove  any  extra  debris  left  over  from  the  previous  user.  I  put  a  small  amount  of  6-­‐micron  diamond  slurry  on  the  sheet,  added  a  couple  drops  of  water,  and  began  to  polish  the  sample  in  a  figure-­‐eight  pattern  for  about  two  minutes.  I  then  washed  the  sample  off,  got  a  new  nylon  sheet,  affixed  it  to  the  board,  and  washed  it  clean  with  water.  I  put  a  small  amount  of  1-­‐micron  slurry  and  a  couple  drops  of  water  on  the  clean  nylon  sheet  and  polished  using  the  same  pattern  as  I  did  with  the  6-­‐micron  sheet,  except  for  only  15  seconds.    

Page 3: E10-MSE Final Report

  3  

Etching  the  Brass  Sample       After  checking  to  make  sure  I  was  wearing  gloves  and  had  the  proper  eye  protection,  I  brought  my  sample  to  the  fume  hood  for  etching.  I  placed  a  couple  drops  of  the  brass  etchant  (10  mL  H2O  +  10  mL  NH4OH  +  3  mL  H2O2)  onto  my  sample,  and  swabbed  it  vigorously  to  keep  the  reaction  moving  along.  I  made  sure  not  to  let  my  sample  turn  black,  and  kept  adding  more  etchant  every  fifteen  seconds.  After  about  1  minute  I  put  a  couple  extra  drops  on,  swabbed  for  ten  seconds,  and  then  rinsed  everything  off  in  the  sink.    

 Steel  Sample  Preparation    

The  procedure  for  preparing  the  steel  sample  is  exactly  the  same  as  that  of  the  brass  sample,  except  the  steel  sample  was  given  to  me  already  mounted  in  epoxy.  Also,  the  steel  sample  has  two  different  pieces  of  steel  inside,  so  it  is  important  to  make  sure  to  keep  the  sample  level  and  apply  equal  pressure  when  grinding  to  ensure  that  both  pieces  get  ground  evenly.      Etching  the  Steel  Sample         The  procedure  for  etching  the  steel  sample  is  the  same  to  the  brass  sample,  except  a  different  etchant  is  used  (2%  nitric  acid  and  98%  methanol).  Also,  because  there  are  two  pieces  of  steel,  I  made  sure  that  both  were  etched  equally.      Imaging  Both  Samples         Both  samples  were  imaged  in  the  same  way  using  optical  microscopes,  so  they  will  be  discussed  in  the  same  section.  To  begin  with,  I  mounted  the  sample  on  a  slide  so  it  could  be  viewed  in  the  microscope.  I  put  the  sample  on  the  slide  with  a  piece  of  clay  in  between  them,  covered  the  sample  with  a  kimwipe  to  protect  it,  and  put  the  entire  arrangement  on  a  press.  I  applied  a  small  amount  of  pressure  on  the  press  so  that  the  sample  was  pushed  into  the  clay  and  leveled  for  optimal  imaging.  Next,  I  put  the  slide  onto  the  microscope  stage,  affixed  it  in  place  with  the  clip,  and  centered  it  over  the  lens  with  the  stage  controls  on  the  right  side  of  the  microscope.  I  rotated  the  lens  so  it  was  on  the  highest  magnification  (40x),  and  using  the  coarse  adjustment  knob,  positioned  the  slide  so  that  it  was  roughly  one  slide  thickness  away  from  the  tip  of  the  lens.  This  puts  the  sample  at  a  position  where  it  can  be  seen  easily  by  the  microscope.  I  then  rotated  the  lens  to  the  5x  magnification,  adjusted  the  illumination  with  a  knob  on  the  light  controls  next  to  the  microscope,  and  focused  the  lens  with  the  fine  adjustment  knob  until  the  image  was  as  sharp  as  possible.       To  photograph  the  sample,  I  used  a  NikonTM  Coolpix  4300  Camera  with  an  attachment  that  allowed  it  to  fit  into  one  of  the  eyepieces.  I  verified  that  it  had  a  memory  card  with  enough  space  for  my  photos,  and  turned  off  the  flash  as  it  wasn’t  being  used.  To  attach  the  camera  to  the  microscope,  I  unscrewed  one  of  the  

Page 4: E10-MSE Final Report

  4  

eyepieces  and  inserted  the  attachment  into  the  hole  where  the  eyepiece  used  to  be.  I  adjusted  the  zoom  on  the  camera  so  it  was  at  the  maximum  optical  zoom  (on  the  screen  the  white  zoom  bar  moved  all  the  way  up  to  the  line  between  optical  and  digital  zoom).  When  focusing  the  images,  I  made  sure  to  use  the  screen  as  a  reference  and  not  the  other  eyepiece,  because  the  camera  has  a  different  magnification  than  the  eyepiece.  Once  focused  the  image  using  the  fine  adjustment  knob,  I  photographed  the  sample.  I  took  images  from  several  different  areas,  making  sure  to  check  the  focus  before  each  picture.  I  tried  to  focus  on  areas  with  as  few  scratches  as  possible  to  produce  the  best  quality  images.         After  taking  all  of  my  pictures,  I  removed  the  sample  from  the  stage  and  put  on  a  graticule  slide  so  I  would  have  a  reference  frame  to  measure  my  images  when  I  analyzed  them  later.  To  focus  the  graticule,  I  repeated  the  same  steps  from  earlier:  I  moved  the  lens  to  the  40x  magnification,  and  adjusted  the  graticule  so  it  was  1  slide  width  away  from  the  lens.  I  then  switched  the  lens  to  the  5x  magnification  and  used  the  stage  controls  to  locate  the  1mm  increment.  After  focusing  it  with  the  fine  adjustment  knob,  I  took  several  pictures.      

For  the  steel  sample  I  followed  the  same  procedures,  except  I  took  photos  of  both  samples  at  several  magnifications  (5x,  10x,  20x,  40x).      Brass  Grain  Counting  Methodologies       The  first  method  I  employed  to  count  the  grains  of  the  brass  sample  and  determine  their  size  was  the  linear  intercept  method.  This  method  involves  drawing  many  lines  on  the  image,  counting  how  many  grains  they  intercept,  and  turning  this  result  into  a  grain  diameter.  To  begin  with,  I  drew  enough  lines  on  my  image  so  that  I  intersected  more  than  fifty  grains  over  my  three  images  (to  ensure  statistical  relevance).  Next,  I  counted  how  many  times  each  line  intersected  a  grain  boundary.  I  used  Photoshop,  so  I  was  able  to  mark  each  intersection  with  a  black  dot.  Before  calculating  the  average  grain  diameter,  I  needed  to  convert  the  line  lengths  to  a  real  life  distance.  To  do  this,  I  used  the  graticule.  I  developed  a  conversion  factor  by  dividing  the  graticule’s  real  length  (1000  μm)  by  each  line’s  length  in  inches  as  measured  in  Photoshop.  I  plugged  the  values  for  each  line  into  the  equation  

𝑑 = 𝐶𝐿𝑁  

Where  d  is  the  average  grain  diameter,  C  is  the  constant  1.5,  L  is  the  length  of  the  line  in  μm,  and  N  is  the  number  of  intersections  on  that  line.    I  multiplied  by  the  constant  C  because  the  linear  intercept  traditionally  underestimates  the  grain  diameter.  I  then  took  an  average  of  my  d  values  for  each  line  to  find  an  average  grain  diameter  for  the  image.    

The  next  method  I  used  to  count  the  grains  of  my  brass  sample  was  the  ASTM  E112  method,  which  involves  drawing  a  circle  over  the  image  and  counting  how  many  grains  are  inside.  The  ASTM  E112  method  provides  the  following  formula  to  

Page 5: E10-MSE Final Report

  5  

calculate  a  parameter  called  the  “grain  size  number”  G,  given  a  calculated  value  of  grains  per  square  inch  area  of  micrograph  “nA“,  recorded  at  100x  magnification.    

𝑛! = 2[!!!]  However,  to  account  for  the  fact  that  my  sample  was  at  50x  magnification  and  not  

100x,  I  needed  to  multiple  nA  by  a  constant   !"!""

!,  squared  because  zooming  

doubles  both  the  x  and  y  axes,  and  area  is  calculated  from  multiplying  the  two.  Simplifying  the  constant  yields:  

𝑛!4 = 2[!!!]  

Solving  for  my  unknown,  I  got  the  following  equation.  

𝐺 =ln𝑛!4ln 2 + 1  

The  nA  value  is  calculated  with  the  equation:  

𝑛! =𝑤 + 𝑝2𝐴  

Where  w  is  the  number  of  grains  completely  inside  the  circle,  p  is  the  number  of  grains  partially  inside,  and  A  is  the  area  of  the  circle  in  inches2.  Using  the  photograph  of  the  graticule,  the  radius  of  the  circle  can  be  measured  and  converted  to  inches   !  !"#!

!".!  !!.  This  radius  can  then  be  turned  into  an  area  with  the  formula  

𝐴 = 𝜋𝑟!.  The  finalized  formula  for  determining  the  grain  size  number  G  is:  

𝐺 =ln

𝑤 + 𝑝24𝜋𝑟!

ln 2 + 1  Where  w  is  the  number  of  grains  completely  inside  the  circle,  p  is  the  number  of  grains  partially  inside,  and  r  is  the  radius  of  the  circle  in  inches.      Brass  ImageJ  Analysis    

To  begin  with,  I  downloaded  the  ImageJ  program  at  http://rsbweb.nih.gov/ij/.  Once  the  program  had  installed,  I  opened  it  and  opened  the  sample  (File>Open).         The  first  step  I  employed  in  processing  the  file  was  to  enhance  the  grain  boundaries  by  drawing  over  them  with  the  brush  tool.  I  right  clicked  the  brush  tool  to  change  the  diameter  of  the  brush  (I  found  that  15px  was  large  enough  for  ImageJ  to  detect  but  small  enough  to  not  get  in  the  way  later).      

Figure  3.  Brush  tool  selected  

 

Page 6: E10-MSE Final Report

  6  

If  the  boundaries  don’t  connect  completely,  ImageJ  counts  multiple  grains  as  a  single  grain  later  on,  so  I  made  sure  to  completely  connect  them  all.  The  enhanced  image  looked  something  like  Figure  4.      

                                                   

Next,  I  adjusted  the  contrast  (Image>Adjust>Brightness/Contrast)  so  ImageJ  could  more  easily  differentiate  between  grains  and  grain  boundaries.  I  found  that  the  “auto”  button  worked  well,  but  if  necessary,  the  sliders  in  the  menu  that  pops  up  could  be  used.  Any  setting  that  made  the  boundaries  more  defined  and  the  background  less  so  was  optimal.  The  image  with  adjusted  contrast  looked  something  like  Figure  5.    

Figure  4.  Enhanced  grain  boundaries  in  ImageJ,  50x  Magnification  

 

Page 7: E10-MSE Final Report

  7  

 Figure  5.  Contrast  applied,  50x  Magnification  

After  adjusting  the  contrast,  I  converted  the  image  into  8-­‐bit  (Image>Type>8-­‐bit)  to  speed  up  processing.  This  was  also  critical  for  later  processing  stages,  as  certain  steps  would  not  work  if  the  image  wasn’t  8-­‐bit.      

I  opened  the  threshold  panel  (Image>Adjust>Threshold)  to  view  the  various  options  for  adjusting  the  threshold.  There  were  two  sliders  on  the  panel—the  top  set  the  black  threshold,  and  the  bottom  set  the  white.  In  general,  setting  the  top  slider  all  the  way  to  the  left  and  then  slowly  moving  the  bottom  slider  to  the  left  was  the  best  way  to  set  a  good  threshold.  Ideally,  the  image  only  had  grain  boundaries  shown  in  black  and  everything  else  was  in  white.  I  avoided  setting  the  white  threshold  so  low  that  the  image  began  to  speckle  and  the  grain  boundaries  faded  or  disappeared.  The  final  image  looked  something  like  Figure  6.        

Page 8: E10-MSE Final Report

  8  

 Figure  6.  Threshold  applied,  50x  Magnification  

Something  extra  that  I  found  enhances  image  analysis  was  the  “Find  Edges”  feature  (Process>Find  Edges).  ImageJ  outlined  the  edges  of  the  grain  boundaries  in  the  image,  and  I  used  this  to  check  that  there  were  no  holes  in  the  boundaries.  Also,  it  made  the  images  more  aesthetically  pleasing  and  easier  to  manipulate  later.  The  image  after  the  processing  was  similar  to  Figure  7.      

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  7.  Find  Edges  applied,  50x  Magnification  

 

Page 9: E10-MSE Final Report

  9  

Next,  I  began  the  analyzing  phase  by  setting  which  measurements  ImageJ  should  make  (Analyze>Set  Measurements).  In  addition  to  the  three  defaults,  I  made  sure  to  check  “Feret’s  diameter”  as  it  was  used  later  to  determine  the  grain  diameter.  The  set  measurements  looked  like  Figure  8.    

           

Next,  I  selected  Analyze  Particles  (Analyze>Analyze  Particles)  and  a  window  popped  up  with  settings  for  the  analysis.  To  ensure  that  extra  particles  were  not  recorded,  I  set  the  minimum  pixel  size  to  100.  Also,  on  the  Show  menu  I  selected  Outlines,  and  made  sure  to  check  “Exclude  on  edges”  and  then  clicked  “OK.”  The  selections  matched  Figure  9.      

Three  windows  popped  up  next:  Summary  (Figure  10),  Results  (Figure  11),  and  a  Drawing  of  the  grains  (Figure  12).  I  scrolled  through  the  Results  window  and  looked  at  the  Area  column  to  make  sure  all  of  the  areas  are  roughly  the  same  size  and  there  were  no  irregularities  (e.g.  mostly  four-­‐digit  areas  but  1  six-­‐digit  area).  If  there  had  been  any  problems,  the  Drawing  window  could  have  been  used  in  conjunction  with  the  number  label  in  the  Results  window  to  identify  which  grains  were  responsible.      

The  most  important  value  was  located  in  the  Summary  window  under  “Feret.”  The  Feret  value  is  the  greatest  distance  between  two  points  on  the  grain  boundary,  i.e.  the  greatest  diameter.  This  value  was  a  good  approximation  of  the  grain  size,  but  it  was  in  pixels,  the  default  unit  in  ImageJ.  To  convert  it  to  a  meaningful  unit,  such  as  μm,  I  needed  to  know  the  length  of  an  object  in  both  pixels  and  μm.  I  knew  the  length  of  the  graticule  in  μm,  and  I  could  measure  it  in  pixels  by  loading  it  into  ImageJ.    

Figure  8.  Set  Measurements  Window    

Figure  9.  Analyze  Particles  Window    

Page 10: E10-MSE Final Report

  10  

                           

Figure  10.  Post-­‐Analysis  Summary  window    

Figure  12.  Post-­‐Analysis  Drawing  window    

Figure  11.  Post-­‐Analysis  Results  window    

Page 11: E10-MSE Final Report

  11  

After  I  opened  the  graticule  file  in  ImageJ  (File>Open),  I  used  the  line  tool  shown  in  Figure  13  to  make  a  line  that  spanned  the  length  of  the  graticule.  Then,  I  clicked  Analyze>Set  Scale,  and  a  window  appeared  with  the  length  of  the  measured  segment  in  pixels.  Therefore,  to  convert  Feret’s  diameter  from  pixels  to  μm,  I  multiplied  by  the  constant  

1000  µμm𝑥  pixels  

Where  x  was  the  length  in  pixels  of  the  graticule.  The  resulting  value  was  the  average  grain  size.      

                     

Figure  13.  Line  tool    

Figure  14.  Measuring  length  of  graticule    

Page 12: E10-MSE Final Report

  12  

Steel  ImageJ  Analysis         For  this  lab,  the  only  steel  image  I  needed  to  analyze  was  the  pearlite  to  find  a  volume  fraction.  To  prepare  it  for  analysis,  all  of  the  steps  were  exactly  the  same.  Once  I  had  an  image  that  was  properly  thresholded,  I  set  which  measurements  ImageJ  should  make  (Analyze>Set  Measurements).  In  addition  to  the  three  defaults,  I  made  sure  to  check  “Area  Fraction”  as  it  was  the  value  I  was  looking  for.  The  set  measurements  looked  like  Figure  15.    

                                 

   

Next,  I  selected  Analyze  Particles  (Analyze>Analyze  Particles)  and  a  window  popped  up  with  settings  for  the  analysis.  I  wanted  all  pixels  to  be  recorded,  so  I  set  the  minimum  pixel  size  to  0.  The  selections  matched  Figure  16.  

 Three  windows  popped  up  next:  Summary  (Figure  17),  Results  (Figure  18),  

and  a  Drawing  of  the  grains  (Figure  19).  The  volume  fraction  is  simply  the  number  listed  under  the  column  “Area  Fraction”  in  the  summary  window.  

             

       

Figure  15.  Set  Measurements  window    

Figure  16.  Set  Measurements  window    

 

Figure  17.  Post-­‐Analysis  Summary  window    

Page 13: E10-MSE Final Report

  13  

 Figure  18.  Post-­‐Analysis  Results  window    

                                     

Figure  19.  Post-­‐Analysis  Drawing  window    

 

Page 14: E10-MSE Final Report

  14  

Original  Images  

Figure  20.  C2600  Brass,  50x  Magnification    

 

Figure  21.  C2600  Brass,  50x  Magnification    

 

Page 15: E10-MSE Final Report

  15  

   

Figure  22.  C2600  Brass,  50x  Magnification    

Figure  23.  Graticule,  50x  Magnification    

Page 16: E10-MSE Final Report

  16  

   

Figure  24.  1045  Steel,  Pearlite,  400x  Magnification    

Figure  25.  1045  Steel,  Pearlite,  400x  Magnification    

 

Page 17: E10-MSE Final Report

  17  

   

Figure  26.  1045  Steel,  Martensite,  400x  Magnification    

Figure  27.  1045  Steel,  Martensite,  400x  Magnification    

 

Page 18: E10-MSE Final Report

  18  

   

Figure  28.  Graticule,  400x  Magnification    

Page 19: E10-MSE Final Report

  19  

Discussion    

Question  1:  What  is  the  average  grain  diameter  in  your  sample  according  to  the  linear  intercept  method?  

 

 In  Figure  29,  the  length  of  the  1000μm  strip  on  the  bottom  right  is  2.89  

inches  (done  by  measuring  in  Photoshop),  so  we  can  find  the  conversion  factor  to  get  from  inches  to  μm  by  dividing  the  two  units,  and  the  resulting  value  is  346   !!

!"#$.  

For  added  clarification,  I  added  the  line  numbers  on  the  left  side  of  the  lines,  black  dots  where  grain  boundaries  occurred,  and  the  number  of  boundaries  per  line  on  the  right  side.      Description  of  Tables  1,  2,  and  3    

• The  first  row  is  has  the  column  numbers  that  correspond  to  each  column.  • The  second  row  has  the  symbol  that  corresponds  to  each  column.  

Figure  29.  Micrograph  A  with  linear  intercept  method  applied,  50x  Magnification  

Page 20: E10-MSE Final Report

  20  

• Columns  1,2,  and  4  are  raw  data  obtained  from  the  image.    • Column  3  is  obtained  by  multiplying  the  length  of  the  line,  L,  by  the  

conversion  factor  346   !!!"#$

.  

• Column  5  is  obtained  with  the  equation  𝑛! =!!,  where  N  is  column  4  and  L  is  

column  3.    • Column  6  is  obtained  with  the  equation  𝑑 = !

!!,  where  C  is  the  constant  1.5  

and  nL  is  column  5.      Table  1.  Raw  and  Calculated  Data  from  Linear-­‐Intercept  Method  Performed  on  Micrograph  A  

1   2   3   4   5   6  #   L   L   N   nL   d  

Line  Number   Length  (in)   Length  (μm)  

Number  of  Grain  

Boundaries  

Number  of  Boundaries  per  μm    (1/μm)  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

1   6.5   2250   12   .0053   281  2   6.5   2250   9   .0040   375  3   6.5   2250   10   .0044   337  4   6.5   2250   10   .0044   337  5   6.5   2250   10   .0044   337  6   6.5   2250   11   .0049   307  7   6.5   2250   10   .0044   337  

 The  same  descriptions  of  the  pictures  and  graph  apply  to  the  next  two  images,  so  they  will  be  omitted  to  save  space.        

Page 21: E10-MSE Final Report

  21  

   Table  2.  Raw  and  Calculated  Data  from  Linear-­‐Intercept  Method  Performed  on  Micrograph  B  

1   2   3   4   5   6  #   L   L   N   nL   d  

Line  Number   Length  (inches)  

Length  (μm)  

Number  of  Grain  

Boundaries  

Number  of  Boundaries  per  μm  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

1   6.5   2250   10   .0044   337  2   6.5   2250   10   .0044   337  3   6.5   2250   8   .0036   422  4   6.5   2250   9   .0040   375  5   6.5   2250   7   .0031   482  6   6.5   2250   7   .0031   482  7   6.5   2250   6   .0027   562  8   6.5   2250   6   .0027   562  

Figure  30.  Micrograph  B  with  linear  intercept  method  applied,  50x  Magnification  

Page 22: E10-MSE Final Report

  22  

 Table  3.  Raw  and  Calculated  Data  from  Linear-­‐Intercept  Method  Performed  on  Micrograph  C  

1   2   3   4   5   6  #   L   L   N   nL   d  

Line  Number   Length  (inches)  

Length  (μm)  

Number  of  Grain  

Boundaries  

Number  of  Boundaries  per  μm  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

1   6.5   2250   9   .0040   375  2   6.5   2250   6   .0027   562  3   6.5   2250   10   .0044   338  4   6.5   2250   9   .0040   375  5   6.5   2250   11   .0049   307  6   6.5   2250   10   .0044   337  7   6.5   2250   9   .0040   375  

 The  average  grain  diameter  of  my  brass  sample  by  applying  the  linear  intercept  method  to  Figures  1,  2,  and  3  is  388  μm.  The  standard  deviation  was  86  μm,  and  both  values  were  calculated  by  inputting  all  data  points  into  Excel.    

Figure  31.  Micrograph  C  with  linear  intercept  method  applied,  50x  Magnification  

Page 23: E10-MSE Final Report

  23  

Question  2:  How  precise  is  the  linear  intercept  method?  Use  your  data,  citing  the  specific  ways  you  executed  the  linear  intercept  method,  and  number  of  attempts,  to  support  your  conclusion.  Remember  "precision"  means  getting  the  same  result  each  time;  "accuracy"  means  getting  the  correct  result.  As  with  many  engineering  projects,  no  one  knows  the  "correct"  result  for  this  exercise.      

Simply  put,  precision  is  how  consistent  a  given  method  is  when  it  is  repeated.  For  the  linear  intercept  method  to  be  perfectly  precise,  it  needs  to  output  the  same  average  grain  diameter  for  every  image  it  is  applied  to.  Because  we  are  taking  a  cross  section,  we  expect  that  the  particles  will  not  all  be  the  same  size.  We  can  verify  this  by  looking  at  the  standard  deviation  for  each  image  in  Table  4.  For  micrographs  B  and  C,  the  standard  deviation  was  very  high—within  each  image,  there  were  a  wide  range  of  outputted  grain  diameters.      

However,  assuming  each  micrograph  encompasses  enough  particles,  the  averages  for  each  image  should  be  somewhat  similar  to  each  other.  From  the  bottom  of  Table  4,  we  can  see  this  is  not  the  case—the  overall  standard  deviation  of  88  μm  was  quite  large.  So  what  does  this  mean?  It  means  that  the  averages  for  each  micrograph  varied  significantly,  and  the  method  isn’t  consistent.  Each  micrograph  that  the  linear  intercept  method  is  applied  to  should  give  the  same  average:  the  material  is  the  same  throughout,  and  the  images  are  all  taken  from  the  same  cross-­‐section.      

The  linear  intercept  method  is  inherently  somewhat  imprecise  because  it  depends  so  much  on  human  factors:  choice  of  line  placement,  the  length  of  line  drawn,  and  determination  of  what  qualifies  as  a  grain  boundary  all  significantly  affect  the  results.  Ideally  lines  are  chosen  arbitrarily  and  represent  an  “average”  number  of  grains  intersected,  but  in  most  cases  there  is  some  system  or  arrangement  of  lines,  which  can  alter  the  data.  In  addition,  the  length  of  line  drawn  affects  the  number  of  intersections  recorded:  when  lines  are  smaller,  they  intersect  fewer  grains  and  are  less  representative  of  the  overall  picture.  The  linear  intercept  method  is  also  subject  to  whoever  is  using  it—an  inexperienced  student  may  not  be  able  to  determine  exactly  which  lines  are  grain  boundaries,  scratches,  or  twins.    

 I  employed  several  tactics  to  try  to  eliminate  these  factors.  First  of  all,  I  used  

a  grid  method  (as  seen  I  Figure  29)  when  making  my  lines  so  I  didn’t  draw  them  arbitrarily.  I  tried  to  space  them  evenly  throughout  the  image  to  obtain  a  result  that  reflected  the  contents  of  the  image.  I  also  standardized  my  line  length  so  that  I  avoided  ending  lines  in  spots  that  I  thought  “looked  good.”  I  may  have  made  mistakes  when  determining  grain  boundaries,  but  that  can’t  be  avoided.    

 As  with  any  method  that  depends  on  averages,  the  result  becomes  more  

precise  with  more  data  points.  Perhaps  one  of  my  images  was  a  fluke  and  the  linear  intercept  method  is  actually  quite  precise.  With  20  micrographs  I  would  be  able  to  

Page 24: E10-MSE Final Report

  24  

tell  if  one  or  two  were  off  and  the  rest  were  similar,  but  with  only  three  I  can  only  conclude  that  the  method  itself  is  imprecise.      

 Table  4.  Select  data  compiled  from  Tables  1-­‐3  

         

Micrograph  A   Micrograph  B  Line  

Number  Number  of  Grain  

Boundaries  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

Line  Number  

Number  of  Grain  

Boundaries  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

1   12   281   1   10   337  2   9   375   2   10   337  3   10   337   3   8   422  4   10   337   4   9   375  5   10   337   5   7   482  6   11   307   6   7   482  7   10   337   7   6   562  

Average  (μm)   330   Average  (μm)   445  Standard  Deviation  

(μm)  29.3   Standard  

Deviation  (μm)  91.7  

Micrograph  C  Line  

Number  Number  of  Grain  

Boundaries  

Average  Grain  

Diameter  (μm)  

1   9   375  2   6   562  3   10   337  4   9   375  5   11   307  6   10   337  7   9   375  

Average  (μm)   381  Standard  Deviation  

(μm)  84.0  

Average  of  the  3  averages  (μm)  

388  

Standard  Deviation  (μm)  

88  

Page 25: E10-MSE Final Report

  25  

Question  3:  What  is  the  average  ASTM  grain  size  number  of  your  sample  according  to  ASTM  E112?  Use  to  data  to  establish  the  precision  associated  with  this  determination.      

Using  the  ASTM  E112  method,  I  inscribed  a  circle  over  the  sample  and  marked  the  grains  that  were  completely  within  the  bounds  with  a  black  dot  and  those  that  were  partially  inside  with  a  blue  dot.  All  of  my  images  were  taken  at  50x  magnification,  and  for  easy  viewing  I  displayed  the  number  of  grains  partially  inside  (blue)  and  completely  inside  (black)  in  the  top  left  and  right  corners  of  the  image,  respectively.    

 The  ASTM  E112  method  provides  the  following  formula  to  calculate  a  

parameter  called  the  “grain  size  number”  G,  given  a  calculated  value  of  grains  per  square  inch  area  of  micrograph  recorded  at  100x  magnification  nA.  

𝑛! = 2[!!!]  However,  to  account  for  the  fact  that  our  sample  is  at  50x  magnification  and  not  

100x,  we  need  to  multiple  nA  by  a  constant   !"!""

!,  squared  because  zooming  doubles  

both  the  x  and  y  axes,  and  area  is  calculated  from  multiplying  the  two.  Simplifying  the  constant  yields:  

𝑛!4 = 2[!!!]  

Solving  for  our  unknown,  we  get  the  following  equation.  

𝐺 =ln𝑛!4ln 2 + 1  

However,  in  order  to  determine  the  value  of  nA,  we  first  need  to  determine  the  area  of  the  circle.  Using  the  graticule  in  the  image,  the  radius  of  the  circle  can  be  measured  to  be  0.97mm.  Converting  this  value  to  inches   !  !"#!

!".!  !!  yields  a  radius  of  

0.038  in,  and  an  area  of  0.0046  in2.    

Page 26: E10-MSE Final Report

  26  

 Table  5.  Raw  and  Calculated  Data  from  ASTM  E112  performed  on  Micrograph  A  

  1   2   3   4   5   6     Number   Weight   Resultant  

Value  Combined  Value  

nA  value  (grains/inch2)  

G  value  

Black   32   1   32   43   9385   12.196  Blue   21   .5   10.5    

• Column  1  is  raw  data  obtained  from  the  image  • Column  2  is  the  weight  of  whole  versus  partial  grains  determined  by  ASTM  

E112  • Column  3  is  obtained  by  multiplying  Columns  1  and  2  • Column  4  is  obtained  by  adding  the  values  from  column  3  together,  and  

rounded  up  to  the  nearest  whole  number  • Column  5  is  obtained  by  dividing  column  4  by  the  area  of  the  circle,  

0.004582  in2  • Column  6  is  obtained  from  the  equation  for  G,  where  nA  is  column  5  

𝐺 =ln𝑛!4ln 2 + 1  

Figure  32.  Micrograph  A  with  ASTM  E112  method  applied,  50x  Magnification  

Page 27: E10-MSE Final Report

  27  

 The  calculations  are  repeated  to  obtain  the  data  in  Table  6  and  7  

 

   Table  6.  Raw  and  Calculated  Data  from  ASTM  E112  performed  on  Micrograph  B  

  1   2   3   4   5   6     Number   Weight   Resultant  

Value  Combined  Value  

nA  value  (grains/inch2)  

G  value  

Black   23   1   23   35   7639   11.899  Blue   23   .5   11.5      

             

Figure  33.  Micrograph  B  with  ASTM  E112  method  applied,  50x  Magnification  

Page 28: E10-MSE Final Report

  28  

 Table  7.  Raw  and  Calculated  Data  from  ASTM  E112  performed  on  Micrograph  C  

 The  average  grain  size  number  was  12.14,  with  a  standard  deviation  of  0.22  

as  determined  in  Excel.  At  first  glance,  one  may  conclude  that  this  method  is  precise  because  the  standard  deviation  is  so  small,  which  means  the  G  values  are  all  relatively  similar.  However,  we  must  consider  the  fact  that  the  G  value  is  the  result  of  taking  the  natural  log  of  a  relatively  large  nA  value.  On  an  exponential  scale,  a  standard  deviation  of  0.22  is  much  more  significant  than  on  a  linear  scale.  For  instance,  if  we  take  the  standard  deviation  of  the  nA  values  from  Table  5-­‐7,  we  get  1334  grains/inch2,  which  is  much  larger  and  shows  that  the  values  vary  significantly.  The  ASTM  E112  method  fails  to  generate  consistent  values  when  repeated,  and  with  only  three  images  to  compare  with,  we  can  only  conclude  that  it  lacks  precision.  

  1   2   3   4   5   6     Number   Weight   Resultant  

Value  Combined  Value  

nA  value  (grains/inch2)  

G  value  

Black   38   1   38   47   10260   12.325  Blue   18   .5   9  

Figure  34.  Micrograph  C  with  ASTM  E112  method  applied,  50x  Magnification  

Page 29: E10-MSE Final Report

  29  

Question  4:  The  linear  intercept  method  gives  a  "grain  size"  in  units  of  length  while  ASTM  E112  gives  a  dimensionless  "grain  size  number."  Design  a  way  to  compare  both  methods  on  equal  terms,  explain  it,  and  use  your  results  to  execute  the  comparison.  What  do  you  conclude?      Explain  your  approach  to  comparing  methods.      

With  the  linear  intercept  method,  we  determined  the  average  diameter  of  a  single  grain  in  our  sample.  Ideally,  the  linear  intercept  method  accounted  for  the  fact  that  all  the  grains  had  different  sizes  and  shapes,  and  outputted  a  value  for  an  average  grain.  We  can  assume  that  this  average  grain  diameter  is  the  same  in  every  direction,  which  gives  us  a  circular  grain  shape.  We  can  then  compute  the  average  area  of  one  grain.  When  we  convert  this  value  into  inches,  we  can  manipulate  it  to  be  similar  to  the  nA  value  in  Question  3.  The  nA  value  is  simply  a  ratio  of  grains  to  area  the  grains  take  up,  so  if  our  1  grain  takes  up  x  area,  its  nA  value  is  simply  !!.  From  this  point,  we  can  compute  G  value  using  the  ASTM  method  from  Question  3,  and  compare  the  two  dimensionless  grain  size  numbers.      Use  your  results  from  the  rest  of  the  lab  to  execute  the  comparison.    

The  average  grain  diameter  from  Question  1  was  388  μm,  or  0.388  mm.  Dividing  by  2  we  get  a  radius  of  0.194mm,  or  0.00764in   using   !  !"#!

!".!  !!.  The  area  of  

a  circle  is  𝜋r2,  which  gives  an  area  of  0.000183  in2.  Because  we  are  only  looking  at  one  grain,  the  resultant  nA  value  is  1  divided  by  this,  or  5453.  The  resultant  G  value  applying  the  same  formulas  from  Question  3  is  11.413.      State  your  conclusion  about  your  comparison.  

 The  G  value  of  11.413  (from  manipulating  the  average  grain  diameter  in  

Question  1)  was  in  the  same  range  as  the  average  G  value  from  Question  3  of  12.14.  Calculating  the  standard  deviation  of  the  two  gives  a  value  of  0.329—however,  because  G  is  the  result  of  a  logarithm,  we  can  see  that  the  values  actually  vary  considerably  (the  same  analysis  is  employed  in  greater  detail  in  the  conclusion  of  Question  3).  From  this  data,  we  can  conclude  that  the  comparison  is  not  very  precise.    There  are  many  possible  reasons  for  this—I  assumed  that  the  average  grain  was  circular,  when  it  may  not  be.  Also,  the  same  human  sources  of  error  for  the  linear  intercept  method  apply  to  this  comparison.  If  the  linear  intercept  method  wasn’t  done  accurately,  then  those  mistakes  would  be  reflected  in  the  comparison.              

Page 30: E10-MSE Final Report

  30  

Question  5:  You've  just  been  called  in  as  a  consultant  on  the  failure  of  a  water  valve  on  the  California  aqueduct.  The  qualification  specs  indicate  the  valve  should  have  been  given  a  very  specific  heat  treatment  to  generate  a  very  specific  grain  size.  The  valve  has  an  18-­‐inch  throat  and  weighs  over  700  lbs.  In  light  of  your  new  understanding  of  grain  size  analysis,  what  experimental  procedures  would  you  employ  to  determine  if  the  proper  heat  treatment  was  done  or  not?  Be  specific.)    Describe  what  experimental  procedures  you  would  employ  to  determine  if  the  proper  heat  treatment  was  done.  Be  specific.      

To  start  with,  dealing  with  a  700  lb.  sample  is  extremely  impractical,  so  the  first  thing  I  would  do  is  remove  specific  portions  of  the  valve  to  examine.  When  choosing  where  to  remove  sample  from,  I  would  try  to  get  at  least  three  from  near  the  point  of  failure  to  determine  if  it  was  an  isolated  irregularity,  or  if  the  entire  valve  is  flawed.  In  addition,  I  would  want  to  drill  three  holes  in  the  valve  where  water  flows  through  and  remove  samples  so  I  could  look  at  a  cross  section.  For  instance,  maybe  only  the  inside  of  the  valve  was  heat-­‐treated,  and  a  cross  section  would  reveal  that  the  grain  size  was  not  constant  throughout  the  valve.    

To  actually  remove  the  samples,  I  would  use  a  high-­‐powered  drill  to  cut  out  cylindrical  sections  of  the  valve.  Depending  on  which  faces  I  wanted  to  examine  (planar  versus  cross  sectional),  I  would  grind  the  samples  using  the  power  grinder  until  I  had  a  flat  surface  to  work  with.  If  the  samples  were  too  small  to  grip  easily  with  my  hands,  I  would  mount  them  in  epoxy  to  ensure  they  would  be  large  enough  to  hold.  From  this  point  I  would  begin  the  grinding  phase  like  we  did  in  class.  Starting  at  240  grit,  I  would  work  my  way  up  to  the  1-­‐micron  polish  until  my  samples  were  (mostly)  scratch  free.  I  would  then  etch  them  to  reveal  the  grains,  and  examine  them  under  a  microscope.      

From  this  point  I  would  photograph  the  samples,  and  then  photograph  a  graticule  to  have  something  to  measure  against.  Looking  at  these  photos  in  Photoshop,  I  would  then  apply  both  the  Linear  Intercept  method  and  ASTM  E112  as  demonstrated  in  Questions  1  and  3  to  determine  what  the  average  grain  diameter  and  grain  size  number  were,  and  compare  them  with  what  the  actual  specifications  should  be.  If  any  of  the  values  were  more  than  one  standard  deviation  away,  I  would  take  more  samples  from  that  area  and  analyze  them  in  the  same  way  to  ensure  that  it  was  not  just  a  fluke.  If  samples  continued  to  have  similar  incorrect  values,  I  would  conclude  that  the  heat  treatment  hadn’t  occurred.  If  some  samples  had  incorrect  values  but  others  did  not,  I  would  conclude  that  the  heat  treatment  might  have  been  done  but  only  partially  performed.        

Page 31: E10-MSE Final Report

  31  

Question  6:  What  is  the  "grain  size"  of  your  sample  determined  by  the  image  processing  and  analysis  tools  available  in  ImageJ?  How  do  the  grain  sizes  obtained  in  this  lab  compare  to  the  grain  sizes  obtained  in  the  first  lab?  Compare  them  using  any  metric  of  your  choosing.  Rationalize  any  differences.      

Table  8.  Raw  Data  from  ImageJ  Brass  Sample  Analysis  

    From  Table  8  above,  we  get  a  Feret  column,  which  represents  the  maximum  diameter  of  a  grain.  We  can  use  this  value  to  compare  to  the  values  calculated  in  Question  1,  but  the  current  the  values  given  are  in  pixels,  and  need  to  be  converted  into  μm  to  be  meaningful.  To  obtain  our  conversion  factor,  we  need  to  find  out  how  many  pixel  lengths  correspond  to  a  set  distance.  We  can  use  an  image  of  a  graticule  to  find  this.      

 Using  the  “Set  Scale”  tool  in  ImageJ,  we  are  able  to  measure  the  length  of  the  

graticule.  We  determine  that  1000  μm  is  equal  to  862.84  pixels,  and  obtain  the  following  conversion  factor:  

1000  µμm862.84  pixels = 1.16  

µμmpixels  

When  finding  the  average  grain  diameter  in  question  1,  we  multiplied  by  a  constant  1.5  because  it  was  found  that  the  linear  intercept  method  traditionally  

Slice   Count  Total  Area  

Average  Size  

Area  Fraction   Feret   Feret  X   Feret  Y  

Feret  Angle  

Min  Feret  

PS1.jpg   55   100977   1835.945   2.6   275.576   1183.455   818.091   95.906   178.585  PS2.jpg   40   89402   2235.05   2.3   327.037   1226.625   817.175   93.078   212.671  

Figure  35.  Calculating  scale  in  ImageJ,  50x  Magnification  

Page 32: E10-MSE Final Report

  32  

underestimates  grain  diameter.  Feret’s  diameter  is  the  greatest  distance  between  two  particles,  so  it  won’t  be  an  underestimate  (if  anything,  it  might  be  a  slight  overestimate).  Multiplying  the  diameters  from  Table  9  by  the  conversion  factor,  we  obtain  values  of  319  μm  and  379  μm  respectively,  an  average  of  349  μm,  and  a  standard  deviation  of  42.4  μm.      

Table  9.  Comparison  of  Linear  Intercept  and  ImageJ  results  

 

 

 

 For  Micrograph  A,  the  standard  deviation  between  the  two  different  methods  

was  extremely  small.  The  methods  both  produced  similar  results.  For  Micrograph  B,  the  standard  deviation  was  much  larger.  However,  when  looking  at  which  partial  grains  ImageJ  didn’t  consider,  this  makes  sense.  In  Figure  29,  the  two  large  grains  on  the  left  boundary  of  the  picture  took  up  a  substantial  portion  of  almost  every  scribe  line.  Because  these  grains  weren’t  complete,  ImageJ  did  not  consider  them,  while  the  linear  intercept  method  did.  The  resultant  average  Feret  diameter  was  much  lower  than  the  linear  intercept  average,  which  makes  sense  given  that  ImageJ  ignored  the  two  largest  grains  in  the  micrograph.      

  By  finding  a  ratio  of  pixels  to  μm,  we  can  compare  feret’s  diameter  calculated  in  ImageJ  with  the  average  grain  diameter  calculated  in  Question  1.      

Micrograph  Label  

Linear  Intercept  

Average  (μm)  

Feret  Diameter  (μm)  

Standard  Deviation  (μm)  

A   330   319   7.8  B   445   349   67.9  

Page 33: E10-MSE Final Report

  33  

Question  7:  How  precise  is  ImageJ  for  grain  size  determination?  What  pitfalls  did  you  uncover  in  your  use  of  its  computational  tools?    Discuss  the  precision  of  determining  grain  size  using  ImageJ.    

Initially,  I  had  a  lot  of  trouble  getting  precise  grain  sizes  with  ImageJ.  The  process  usually  fell  apart  in  the  threshold  step.  I  could  never  adjust  the  sliders  so  I  would  get  a  clean  outline  around  each  grain—grains  would  always  either  fill  in  completely  black  or  stay  white.  However,  I  received  a  helpful  hint:  manually  draw  in  the  grain  boundaries  so  ImageJ  can  detect  them  better.  With  this  in  mind,  ImageJ  became  incredibly  easy  to  use.  While  going  through  with  the  brush  tool  and  drawing  in  each  boundary  is  time-­‐consuming,  it  enables  the  program  to  easily  pick  up  on  the  boundaries  that  may  have  been  incredibly  faint  before.    

 When  the  user  draws  in  the  boundaries,  ImageJ  becomes  extremely  precise.  

Assuming  the  lines  have  been  drawn  correctly,  the  program  will  consistently  output  very  similar  values  every  time  an  image  is  run  through  the  various  contrasts,  thresholds,  and  analyzing  stages.  As  I  was  learning  how  ImageJ  worked  I  ran  the  same  image  through  at  least  ten  times,  and  by  the  end  I  was  getting  the  exact  same  grain  size  every  time.    

 Are  the  outcomes  of  your  two  images  the  same?    Quantify  how  similar/different  they  are.  

    The  outcomes  of  my  two  images  are  essentially  the  same,  in  terms  of  appearance.  They  both  have  all  complete  grains  shaded  black,  with  white  grain  boundaries.  The  boundaries  are  smooth,  and  have  remained  exactly  as  I  first  drew  

Figure  36.  Micrograph  A,  post-­‐processing                                                                      Figure  37.  Micrograph  B,  post-­‐processing  

 

Page 34: E10-MSE Final Report

  34  

them  for  both  images.  When  the  lines  are  drawn  first,  the  results  are  crisp,  clear,  and  consistent.        Discuss  pitfalls  of  using  ImageJ,  relative  to  manually  determining  grain  size.      

One  of  the  biggest  pitfalls  of  using  ImageJ  is  the  time  required  to  use  it  successfully.  It  simply  isn’t  possible  to  obtain  a  good  image  in  a  short  amount  of  time.  To  ensure  accuracy,  the  lines  must  be  drawn  on  very  carefully—if  this  step  is  rushed,  the  resultant  data  is  useless.  In  addition,  ImageJ  analysis  fails  to  account  for  grains  that  aren’t  completely  in  the  image.  Often,  this  means  losing  a  significant  amount  of  data  as  well  as  reducing  the  sample  size,  as  many  grains  are  only  partially  present.  In  the  case  of  Question  6,  I  hypothesized  that  this  loss  of  data  was  the  cause  of  a  discrepancy  between  a  manually  measured  diameter  and  ImageJ’s  measured  diameter.      

Page 35: E10-MSE Final Report

  35  

Question  8:  What  changes  would  you  suggest  in  the  practice  of  optical  metallography  (sample  selection,  polishing,  etching)  to  optimize  the  determination  of  grain  size  using  ImageJ?      Discuss  changes  to  your  SAMPLE  PREPARATION  to  increase  the  utility  of  ImageJ  processing.           When  grinding  my  sample,  one  of  the  first  things  I  noticed  was  that  the  epoxy  was  much  softer  than  the  brass.  It  wears  away  much  faster,  and  as  a  result  often  the  sample  tends  to  protrude  more  than  the  epoxy,  and  instead  of  being  flat,  the  bottom  of  the  sample  is  rounded.  This  creates  problems  because  it  becomes  difficult  to  grind  the  edges  of  the  brass—they  often  end  up  more  scratched  than  the  center  because  they  aren’t  actually  being  ground  down.  Most  of  the  scratches  in  my  sample  were  due  to  this,  and  a  change  I  would  propose  is  either  using  a  harder  mounting  substance  or  having  samples  large  enough  to  hold  easily.  This  would  result  in  more  usable  picture  space,  better  quality  images,  and  better  ImageJ  processing.         Another  problem  I  had  with  the  sample  preparation  was  that  it  was  difficult  to  determine  whether  the  camera  had  focused  my  images  correctly.  When  using  the  camera  with  the  microscope,  the  only  way  to  manually  focus  the  images  was  to  look  at  the  tiny  display.  The  eyepiece  has  a  slightly  different  magnification  than  the  camera,  so  the  only  way  to  focus  was  to  squint  at  the  display  and  hope  it  was  as  sharp  as  possible.  This  has  a  direct  effect  on  image  processing—ImageJ  works  much  better  when  it  can  see  clear,  distinct  boundaries,  versus  the  fuzzier  boundaries  that  result  from  bad  focus.      Include  a  sample  comparison.  Include  an  image/portion  of  an  image  that  was  easier  to  analyze  than  the  rest.    Include  an  image/portion  of  an  image  that  was  harder  to  analyze.  Discuss  specific  reasons  why  one  was  easier  than  the  other.  

 The  image  on  the  left  was  

difficult  to  analyze  for  several  reasons.  First  of  all,  several  of  the  grains  are  almost  the  same  color,  and  the  boundaries  are  nearly  impossible  to  see  clearly.  In  addition,  the  image  is  slightly  fuzzy,  and  the  lack  of  sharp  edges  makes  it  difficult  for  ImageJ  to  process  the  grain  boundaries.  The  scratch  in  the  top  left  corner  also  adds  another  line  into  the  picture  that  could  generate  an  extra  boundary.        Figure  38.  Brass  sample,  50x  Magnification  

 

Page 36: E10-MSE Final Report

  36  

  This  image  was  much  easier  to  process.  Not  only  are  the  grain  boundaries  much  clearer,  but  also  the  contrast  is  much  sharper,  and  it  is  quite  obvious  where  the  grains  touch  each  other.  There  are  no  visible  scratches,  and  the  twins  are  all  well  defined,  so  ImageJ  won’t  misinterpret  them  as  extra  boundaries.  Also,  the  grain  boundaries  in  this  image  seem  to  be  slightly  darker  and  wider,  and  as  a  result  it  is  easier  for  ImageJ  to  register  that  they  are  boundaries.        

Figure  39.  Brass  sample,  50x  Magnification  

 

Page 37: E10-MSE Final Report

  37  

Question  9:    Design  a  method  employing  ImageJ  for  determining  the  grain  size  of  a  metallographic  sample,  and  describe  it  in  sufficient  detail  for  a  novice  user  of  ImageJ  to  complete  a  successful  grain  size  determination.  In  technical  reports,  this  is  known  as  the  "experimental  procedures"  or  "protocol"  section.    

To  begin  with,  download  the  ImageJ  program  at  http://rsbweb.nih.gov/ij/.  Once  the  program  has  installed,  open  it  and  open  the  sample  (File>Open).             The  first  step  in  processing  the  file  is  to  enhance  the  grain  boundaries  by  drawing  over  them  with  the  brush  tool.  Right  click  the  brush  tool  to  change  the  diameter  of  the  brush,  I  found  that  15px  was  large  enough  for  ImageJ  to  detect  but  small  enough  to  not  get  in  the  way.      

  Make  sure  that  all  of  the  grain  boundaries  connect!  If  the  boundaries  don’t  connect  completely,  ImageJ  will  count  multiple  grains  as  a  single  grain  later  on.  The  enhanced  image  should  look  something  like  Figure  42.    

                                             

Figure  41.  Brush  tool  selected  

 

Figure  42.  Enhanced  grain  boundaries  in  ImageJ,  50x  Magnification  

 

Page 38: E10-MSE Final Report

  38  

Next,  adjust  the  contrast  (Image>Adjust>Brightness/Contrast)  so  ImageJ  can  more  easily  differentiate  between  grains  and  grain  boundaries.  I  found  that  the  “auto”  button  works  well,  but  if  necessary,  the  sliders  in  the  menu  that  pops  up  can  be  used.  Any  setting  that  makes  the  boundaries  more  defined  and  the  background  less  so  is  optimal.  The  image  with  adjusted  contrast  should  look  something  like  Figure  43.      

 Figure  43.  Contrast  applied,  50x  Magnification  

After  adjusting  the  contrast,  convert  the  image  into  8-­‐bit  (Image>Type>8-­‐bit)  to  speed  up  processing.  This  is  also  critical  for  later  processing  stages,  as  certain  steps  will  not  work  if  the  image  isn’t  8-­‐bit.      

Open  the  threshold  panel  (Image>Adjust>Threshold)  to  view  the  various  options  for  adjusting  the  threshold.  There  are  two  sliders  on  the  panel—the  top  sets  the  black  threshold,  the  bottom  sets  the  white.  In  general,  setting  the  top  slider  all  the  way  to  the  left  and  then  slowly  moving  the  bottom  slider  to  the  left  is  the  best  way  to  set  a  good  threshold.  Ideally,  the  image  will  only  have  grain  boundaries  shown  in  black  and  everything  else  will  be  white.  Avoid  setting  the  white  threshold  so  low  that  the  image  begins  to  speckle  and  the  grain  boundaries  fade  or  disappear.  The  final  image  should  look  something  like  Figure  44.      

Page 39: E10-MSE Final Report

  39  

 Figure  44.  Threshold  applied,  50x  Magnification  

Something  extra  that  I  found  enhances  image  analysis  is  the  “Find  Edges”  feature  (Process>Find  Edges).  ImageJ  outlines  the  edges  of  the  grain  boundaries  in  the  image,  and  this  can  be  used  to  check  that  there  are  no  holes  in  the  boundaries.  Also,  it  makes  the  images  more  aesthetically  pleasing  and  easier  to  manipulate  later  on.  The  image  after  the  processing  should  be  similar  to  Figure  45.      

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure  45.  Find  Edges  applied,  50x  Magnification  

 

Page 40: E10-MSE Final Report

  40  

Next,  begin  the  analyzing  phase  by  setting  which  measurements  ImageJ  should  make  (Analyze>Set  Measurements).  In  addition  to  the  three  defaults,  make  sure  to  check  “Feret’s  diameter”  as  it  will  be  used  later  to  determine  the  grain  diameter.  The  set  measurements  should  look  like  Figure  46.      

           

Select  Analyze  Particles  (Analyze>Analyze  Particles)  and  a  window  will  pop  up  with  settings  for  the  analysis.  To  ensure  that  extra  particles  are  not  recorded,  set  the  minimum  pixel  size  to  100.  Also,  on  the  Show  menu  select  outlines,  and  be  sure  to  check  “Exclude  on  edges”  and  then  click  “OK.”  The  selections  should  match  Figure  47.      

Three  windows  should  pop  up:  Summary  (Figure  48),  Results  (Figure  49),  and  a  Drawing  of  the  grains  (Figure  50).  It  is  worth  scrolling  through  the  Results  window  and  looking  at  the  Area  column  to  make  sure  all  of  the  areas  are  roughly  the  same  size  and  there  are  no  irregularities  (e.g.  mostly  four-­‐digit  areas  but  1  six-­‐digit  area).  If  there  are  any  problems,  the  Drawing  window  can  be  used  in  conjunction  with  the  Numerical  label  in  the  Results  window  to  identify  which  grains  are  responsible.      

The  most  important  value  is  located  in  the  Summary  window  under  “Feret.”  The  Feret  value  is  the  greatest  distance  between  two  points  on  the  grain  boundary,  i.e.  the  greatest  diameter.  This  value  is  a  good  approximation  of  the  grain  size,  but  it  currently  is  in  pixels,  the  default  unit  in  ImageJ.  To  convert  it  to  a  meaningful  unit,  such  as  μm,  we  need  to  know  the  length  of  an  object  in  both  pixels  and  μm.  We  know  the  length  of  our  graticule  in  μm,  and  we  can  measure  it  in  pixels  by  loading  it  into  ImageJ.    

Figure  46.  Set  Measurements  Window    

Figure  47.  Analyze  Particles  Window    

Page 41: E10-MSE Final Report

  41  

   

                       

Figure  48.  Post-­‐Analysis  Summary  window    

Figure  49.  Post-­‐Analysis  Drawing  window    

Figure  50.  Post-­‐Analysis  Results  window    

Page 42: E10-MSE Final Report

  42  

After  opening  the  graticule  file  in  ImageJ  (File>Open),  use  the  line  tool  shown  in  Figure  51  to  make  a  line  that  spans  the  length  of  the  graticule.  Then,  click  Analyze>Set  Scale,  and  a  window  will  appear  with  the  length  of  the  measured  segment  in  pixels.  Therefore,  to  convert  Feret’s  diameter  from  pixels  to  μm,  multiply  by  the  constant  

1000  µμm𝑥  pixels  

Where  x  is  the  length  in  pixels  of  the  graticule.  The  resulting  value  is  the  average  grain  size.      

                     

Figure  51.  Line  tool    

Figure  52.  Measuring  length  of  graticule    

Page 43: E10-MSE Final Report

  43  

Question  10:  Can  you  foresee  any  ethical  dilemmas  arising  from  the  use  of  image  processing  in  engineering  analysis?  Explain,  using  your  own  data  if  you  can,  how  a  "processed"  image  might  deviate  enough  from  an  "actual"  image  to  support  different  conclusions,  and  the  implications  of  willfully  choosing  processing  methodologies  to  achieve  a  specific  goal.         There  is  certainly  a  problematic  ethical  dilemma  resulting  from  the  use  of  image  processing  in  engineering  analysis.  When  the  person  doing  the  processing  has  a  stake  in  the  results  of  the  analysis,  he  or  she  faces  the  choice  of  “altering”  data  to  achieve  a  more  favorable  result.  Altering  can  mean  anything  from  being  slightly  biased  towards  a  certain  result  and  subconsciously  influencing  the  data  to  outright  fabrication  of  data  or  editing  the  images.  Humans  are  inherently  selfish,  and  if  we  can  gain  from  slight  manipulation  of  data,  there’s  a  decent  chance  that  our  subconscious  will  steer  us  in  that  direction,  even  if  we  intend  to  be  honest.      Discuss.    Use  a  concrete  example,  such  as:  imagine  if  you  were  guaranteed  to  get  an  “A”  in  this  class,  if  your  sample  had  the  smallest  average  grain  size.    Even  if  you  were  trying  to  be  honest,  would  the  knowledge  of  this  affect  your  adjustments/measurement?    

Knowing  this  small  fact  would  have  a  huge  impact  on  my  adjustments  and  measurement,  as  much  I  would  like  to  think  nothing  would  happen.  If  something  as  important  as  my  grade  in  the  class  depended  on  something  so  small  and  arbitrary  like  rounding  a  number,  my  subconscious  (and  perhaps  even  my  conscious  mind)  wouldn’t  be  able  to  help  itself.  Of  course  I  wouldn’t  fabricate  data—but  I  would  probably  manipulate  it  to  my  advantage.  For  instance,  I  would  definitely  try  both  the  Linear  Intercept  and  ASTM  E112  methods—and  I  would  pick  the  one  that  yielded  the  smaller  value.  Say  there  was  a  blurry  spot  and  it  is  unclear  whether  a  grain  boundary  exists  or  not.  As  someone  whose  grade  depended  on  getting  a  low  value,  I  would  probably  “assume”  that  there  was  a  boundary,  splitting  a  grain  in  two  and  lowering  my  average  grain  size.      Demonstrate  by  altering  your  image  slightly  to  increase  grain  size  and  then  again  to  decrease  grain  size.    Show  similar  images  that  have  very  different  outcomes.    

In  order  to  increase  grain  size,  I  decreased  the  pixel  diameter  of  the  brush  used  to  draw  the  grain  boundaries.  The  original  image  is  Figure  53,  and  the  first  altered  version  is  Figure  54.  By  decreasing  the  area  between  the  grains,  I  effectively  expanded  them  so  that  they  would  take  up  more  space  and  output  a  larger  resultant  area  and  grain  size.  To  decrease  grain  size,  I  did  the  opposite—I  used  a  thicker  brush,  shrinking  the  grains  and  outputting  a  smaller  area  and  grain  size,  as  shown  in  Figure  55.      

Page 44: E10-MSE Final Report

  44  

   

 

 

 

 

         

                           

Table  10.  Raw  data  from  ImageJ  analysis  of  different  brush  diameters              

The  ImageJ  analysis  results  in  Table  10  confirm  that  the  large  brush  outputted  the  lowest  average  size  and  ferret  diameter,  while  the  small  brush  gave  the  largest  of  both.  

     The  problem  with  having  a  personal  stake  in  one’s  own  image  analysis  is  that  

there  is  no  clear  line  between  influencing  the  numbers  with  “human  error”  and  outright  fabrication.  In  addition,  it  is  usually  very  easy  to  rationalize  these  tiny  changes  in  data  or  methodology,  as  they  are  so  small  that  they  seem  almost  insignificant.  But  at  what  point  does  rounding  a  value  up  become  falsifying  data  and  not  just  abiding  by  a  convenient  choice  of  significant  figures?  Overall,  one  should  refrain  from  choosing  processes  to  meet  a  certain  goal,  and  instead  focus  on  doing  a  fair,  unbiased  analysis  of  the  image.      

Slice   Count  Total  Area  

Average  Size  

Area  Fraction   Feret  

PS1  MED.jpg   56   93026   1661.179   2.4   253.225  PS1  SML.jpg   54   100204   1855.63   2.6   278.618  PS1  LRG.jpg   56   83800   1496.429   2.2   232.716  

Figure  53.  Medium  brush  diameter  

Figure  55.  Large  brush  diameter  Figure  54.  Small  brush  diameter  

Page 45: E10-MSE Final Report

  45  

Question  11:  Show  and  describe  in  detail  the  two  microstructures  associated  with  the  two  thermal  treatments  examined  in  this  lab  exercise.  Note  that  the  carbon  concentration  is  the  same  for  both  specimens  (both  are  1045  steel),  so  any  differences  in  microstructure  are  due  exclusively  to  processing.      

Both  microstructures  start  out  in  a  high  temperature  solid  phase  called  austenite.  When  the  temperature  drops  below  727°C,  pearlite  forms.  

    Pearlite  has  two  major  constituents:  ferrite,  which  is  composed  primarily  of  iron,  and  cementite,  which  is  an  iron  carbide.  The  ferrite  and  cementite  form  disk-­‐like  layers,  called  lamellae,  and  have  a  tendency  to  glitter  under  a  microscope,  as  they  do  in  Figure  56.  Depending  on  how  the  pearlite  is  heat-­‐treated  when  it  is  formed,  the  lamellae  can  be  either  coarse  and  thick  or  fine  and  thin.    In  Figure  57,  the  circle  encloses  a  well-­‐formed  lamella,  within  lines  drawn  on  to  show  the  equiaxed  grain  structure.  Figure  58  is  also  a  particularly  good  image  with  interspersed  lamellae  of  pearlite.          

Figure  56.  Pearlite,  Optical  Image,  400x  Magnification    

Page 46: E10-MSE Final Report

  46  

 

 

Figure  57.  Pearlite,  SEM  Image,  5000x  Magnification    

                                         

Figure  58.  Pearlite,  SEM  Image,  1000x  Magnification    

Page 47: E10-MSE Final Report

  47  

When  the  austenite  is  cooled  off  extremely  quickly,  a  different  microstructure  called  martensite  forms.  Martensite  is  characterized  by  acicular  grain  structure,  which  means  its  grains  are  much  smaller  and  almost  needlelike,  like  those  within  the  circle  in  Figure  60.  As  shown  in  both  Figures  59  and  60  below,  the  grains  are  almost  imperceptible  at  2000x  magnification,  and  it  takes  zooming  all  the  way  to  10000x  to  get  a  close  look  at  them.  While  martensite  is  generally  stronger  than  pearlite,  sometimes  the  rapid  cooling  process  causes  cracks  to  form.  The  process  that  causes  the  cracks,  called  quenching,  is  not  ideal  for  big  samples  because  large  amounts  steel  cannot  be  cooled  down  quickly.  However,  martensite’s  smaller  grain  size  gives  it  superior  strength  when  it  can  be  created  correctly.        

                                                               

Figure  60.  Martensite,  SEM  Image,  10000x  Magnification    

 

Figure  59.  Martensite,  SEM  Image,  2000x  Magnification  

Page 48: E10-MSE Final Report

  48  

Question  12:  Pearlite  is  sometimes  described  as  having  a  lamellar  morphology.    Can  you  identify  pearlite  in  your  images?  Explain.  Use  ImageJ  or  other  methods  of  analysis  to  determine  the  volume  fraction  of  pearlite  in  your  microstructure.  Show  your  work.    

 Identify  pearlite  in  your  images,  and  explain  why  you  have  determined  those  regions  are  pearlite.    

From  Figure  57,  we  can  see  that  pearlite  is  characterized  by  its  lamellar  structures,  which  in  a  cross  section  shows  multiple  layers  on  top  of  each  other.  Figure  58,  at  1000x  shows  a  zoomed-­‐out  view  of  the  sample,  and  demonstrates  how  the  pearlite  regions  are  slightly  darker  than  the  other  regions.  Therefore,  we  can  apply  this  to  our  sample:  the  pearlite  regions  are  the  darker  regions,  and  since  there  are  only  white  and  black  regions,  the  pearlite  must  be  the  black  regions  in  our  image.          Determine  the  volume  fraction  of  pearlite  from  two  of  your  images  of  the  steel  that  contain  pearlite  (not  the  martensite  sample).  Explain  and  illustrate  your  process  for  determining  volume  fraction.    

To  prepare  the  pearlite  for  analysis,  all  of  the  steps  were  exactly  the  same  as  for  when  we  prepared  the  brass,  except  we  don’t  need  to  pre-­‐draw  lines  around  the  grains  as  we  are  determining  a  volume  fraction.  The  pre-­‐analysis  image  should  look  something  like  Figure  61.  Once  we  have  an  image  that  is  properly  thresholded,  we  set  which  measurements  ImageJ  should  make  (Analyze>Set  Measurements).  In  addition  to  the  three  defaults,  we  make  sure  to  check  “Area  Fraction”  as  it  is  the  value  we  are  looking  for.  The  set  measurements  look  like  Figure  62.    

                               

 

Figure  61.  Pre-­‐analysis  pearlite  image    

 

Page 49: E10-MSE Final Report

  49  

                                 

   

Next,  we  select  Analyze  Particles  (Analyze>Analyze  Particles)  and  a  window  pops  up  with  settings  for  the  analysis.  We  want  all  pixels  to  be  recorded,  so  we  set  the  minimum  pixel  size  to  0.  The  selections  match  Figure  63.  

 Three  windows  popped  up  next:  Results  (Figure  64),  a  Drawing  of  the  grains  

(Figure  65),  and  Summary  (Figure  66).      

 

 Figure  64.  Post-­‐Analysis  Results  window    

Figure  62.  Set  Measurements  window    

Figure  63.  Set  Measurements  window    

 

Page 50: E10-MSE Final Report

  50  

                                                   

The  only  value  we  are  interested  in  is  the  “Area  Fraction”  column  in  Figure  66.  This  value  represents  the  percentage  of  black  particles  in  our  image.  Because  the  black  particles  are  pearlite,  this  value  is  the  area  fraction  of  pearlite.  We  assume  that  the  area  fraction  of  one  planar  cross-­‐section  is  representative  of  the  entire  sample,  so  we  assume  the  area  fraction  is  the  same  as  the  volume  fraction,  and  get  a  result  of  37.2%  pearlite.        

Figure  66.  Post-­‐Analysis  Summary  window    

Figure  65.  Post-­‐Analysis  Drawing  window    

 

Page 51: E10-MSE Final Report

  51  

Question  13:  Show  directly  on  a  TTT  curve  the  two  cooling  paths  for  the  two  specimens  in  your  metallographic  mount,  supported  by  the  data  captured  in  your  micrographs.  Note  that  both  thermal  treatments  began  at  time  0  in  the  austenitic  region  at  900°C,  and  finished  at  room  temperature  (assume  25°C).    

 

Figure  67.  TTT  curve  of  martensite  and  pearlite  samples  

  Figure  67  above  shows  the  two  cooling  paths,  where  martensite  is  the  black  line  and  pearlite  is  the  red  line.  This  is  supported  both  by  our  data  and  our  knowledge  of  how  the  two  samples  form.  Martensite  forms  when  the  steel  is  cooled  very  rapidly,  and  avoids  the  “knee”  of  the  TTT  curve  at  around  550°  C.  From  the  black  line,  we  can  see  that  steel  drops  to  25°  C  in  less  than  a  second,  and  does  indeed  avoid  the  protruding  part  of  the  TTT  curve.  Because  this  steel  passes  below  the  Ms  formation  temperature  of  165°  C  before  the  TTT  curve,  it  forms  martensite.  The  black  line  is  a  general  line—martensite  can  form  from  any  line  or  curve  that  avoids  the  knee  of  the  TTT  curve  and  passes  through  the  MS  temperature  before  the  curve  does.         From  the  red  line,  we  can  see  that  the  pearlite  cooling  path  first  intersected  the  TTT  curve  at  around  700°  C.  At  this  point,  pearlite  began  to  form  and  continued  forming  until  around  610°  C.  This  matches  our  knowledge  of  how  pearlite  forms:  it  is  cooled  in  a  furnace,  so  it  cools  over  a  longer  timespan.  The  red  line  shown  above  is  also  a  general  line—pearlite  will  form  from  any  cooling  path  that  intersects  the  TTT  curve  at  any  point.    

Page 52: E10-MSE Final Report

  52  

Question  14:  Based  on  your  results,  what  can  you  conclude  about  the  effectiveness  of  light  optical  metallography  for  verification  of  the  microstructures  associated  with  steel  components  used  in  engineering  applications?  If  you  did  obtain  some  scanning  electron  micrographs,  are  they  any  better  for  this  application?  Explain.  Refer  to  specific  images  of  optical  micrographs  and  SEM  micrographs  in  your  discussion.       Based  on  my  results,  I  can  conclude  that  light  optical  metallography  has  limited  effectiveness  for  viewing  and  verifying  microstructures  of  1045  steel.  Figures  24-­‐27  show  that  there  is  not  much  detail  to  be  seen  on  different  steel  microstructures  at  the  optical  microscope’s  highest  magnification,  400x.  The  smaller  structures,  such  as  the  lamellar  formations  in  the  pearlite,  cannot  even  be  seen  in  these  images.  In  addition,  the  martensite  grains  are  barely  visible  because  the  magnification  is  so  low—it  is  fairly  difficult  to  do  any  sort  of  in-­‐depth  analysis  on  these  images.         SEM  images  are  much  better  for  analyzing  microstructures  of  our  1045  steel  samples.  Figures  57-­‐60  show  much  more  detail  about  the  samples,  such  as  grain  size  and  shape  in  both  samples,  and  the  lamellar  structure  in  the  pearlite.  The  scanning  electron  microscope  we  used  had  the  ability  to  magnify  to  30,000x,  which  is  75x  what  the  optical  microscopes  can  view.  This  extra  zooming  capability  reveals  a  wealth  of  information  about  the  samples  that  is  hidden  from  us  in  the  optical  images.  We  conclude  that  SEM  images  are  vastly  superior  to  optical  images  for  verifying  the  microstructures  of  our  steel  components.        

Page 53: E10-MSE Final Report

  53  

Question  15:  Imagine  that  you  have  been  called  in  as  a  consulting  engineer  on  a  failed  brake  rotor  that  has  been  be  implicated  by  an  insurance  agent  in  an  automobile  crash  causing  the  deaths  of  three  people.  The  design  specification  was  for  the  rotor  to  be  forged  from  SAE  1045  steel,  cross  drilled  and  slotted,  austenitized  at  900°C,  then  quenched  into  iced  brine.    The  report  of  the  insurance  company  agent  claimed  that  the  rotor  "overheated  because  of  faulty  heat  dissipation,  causing  the  rotor  to  reach  temperatures  in  excess  of  1000°C,  resulting  in  catastrophic  brake  fade,  preventing  the  driver  from  stopping  before  impact  with  the  concrete  embankment."  The  report  also  noted  that  there  was  no  fire  after  the  crash.    You  reason  that  if  optical  metallography  can  verify  microstructures  associated  with  intentional  heat  treatments,  it  should  also  identify  "unintentional"  heat  treatments.  So  you  decide  to  perform  metallographic  analyses  of  the  rotor  to  evaluate  the  claim  of  the  insurance  agent.  What  would  you  do?  On  what  microstructural  evidence  would  you  be  able  to  prove  the  insurance  agent  correct?  On  what  evidence  would  you  be  able  to  prove  the  agent  wrong?  Be  specific.      

Using  optical  metallography,  we  need  to  determine  if  the  insurance  agent’s  claims  were  correct  or  not.  When  the  brake  was  forged,  it  was  austenitized  at  900°C  then  quenched  into  iced  brine—from  this  description,  we  know  a  martensite  structure  formed.  If  the  brake  rotor  did  indeed  heat  up  to  1000°C,  it  will  have  formed  pearlite  structures—martensite  only  forms  when  1045  steel  is  quench-­‐cooled;  if  allowed  to  cool  naturally  only  pearlite  will  form.    

 To  prove  the  insurance  agent  correct,  we  would  need  to  see  evidence  of  

pearlite  structures  in  the  brake  rotor.  This  would  mean  that  the  rotor  did  heat  up  to  1000°C  and  cool  back  down  to  room  temperature.  In  order  to  obtain  microstructural  images  of  the  rotor,  we  should  first  take  samples  from  several  different  areas  of  the  rotor.  Next,  we  would  follow  the  steps  listed  in  the  Methodology  section  to  prepare  and  image  steel  samples.  Once  we  obtained  our  images,  we  would  look  for  lamella,  which  would  show  us  that  pearlite  had  formed.  We  could  use  the  techniques  employed  in  Question  11  to  locate  and  verify  lamellar  structure.  If  any  evidence  of  lamellar  structure  was  found  in  any  of  the  samples,  the  insurance  agent  was  correct  and  the  sample  did  heat  up  to  1000°C  and  cool  down  naturally.    

 To  prove  the  insurance  agent  wrong,  we  would  need  to  see  evidence  of  only  

martensite  structure  in  the  brake  rotor.  Using  the  same  techniques  listed  above,  we  would  obtain  images  of  our  samples  and  examine  them.  Thin,  acicular  grains  and  lack  of  lamellar  structure  would  prove  the  agent  wrong—if  this  was  the  case,  the  brake  rotor  did  not  heat  up  to  1000°C,  and  the  martensite  structure  would  remain  the  same  as  when  the  rotor  was  forged.    

 

Page 54: E10-MSE Final Report

  54  

Conclusion    

By  examining  the  microscopic  structures  of  steel  and  brass  samples,  we  learned  more  about  microscopy  and  gained  a  better  understanding  of  the  formation  and  composition  of  engineering  materials  like  steel  and  brass.  In  addition,  we  learned  several  techniques  for  preparing,  imaging,  and  analyzing  our  images.  We  employed  both  manual  analyses—such  as  the  linear  intercept  method  and  ASTM  E112—and  used  programs  like  ImageJ  to  determine  grain  size  and  volume  fraction  of  our  samples.    Through  this  lab,  we  developed  the  skills  necessary  to  look  on  a  microscopic  level  at  basic  engineering  materials,  and  understand  how  different  microscopic  structures  resulted  in  different  overall  characteristics.