一種用于離線ct檢測條件下的疲勞裂紋三維擴(kuò)展對比分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于離線CT檢測條件下的疲勞裂紋三維擴(kuò)展對比分析方法，從三維情形分析疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，屬于疲勞裂紋三維成像表征技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]材料疲勞的本質(zhì)是疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，疲勞裂紋具有易擴(kuò)展、強(qiáng)破壞、危害大、難檢測等特點(diǎn)，一直是疲勞研宄領(lǐng)域的重要研宄內(nèi)容。疲勞裂紋的位置、尺寸、分布、形態(tài)等信息的確定是裂紋擴(kuò)展分析的前提，疲勞裂紋具有復(fù)雜的薄層體狀三維結(jié)構(gòu)特征，其三維形態(tài)影響其擴(kuò)展行為，為了獲取裂紋的詳細(xì)信息，在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展分析方面迫切需要一種無損檢測與三維分析手段。
[0003]與其它無損檢測手段相比，由于顯微CT能以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地獲取裂紋的位置、尺寸、分布等信息，可以對疲勞裂紋進(jìn)行定性、定量與定位分析。
[0004]當(dāng)對疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行連續(xù)觀察時(shí)，有兩種裂紋擴(kuò)展CT分析方法。一種是原位CT觀測方式，這種方式要求疲勞試驗(yàn)設(shè)備和CT成像設(shè)備同時(shí)放在試驗(yàn)現(xiàn)場，一般采用同步輻射光源進(jìn)行成像，同步輻射光源到探測器的距離遠(yuǎn)大于常規(guī)X射線源到探測器的距離，對設(shè)備要求較高，優(yōu)點(diǎn)在于各種參數(shù)相對固定，但不同裂紋擴(kuò)展階段的CT圖像對比分析時(shí)存在圖像配準(zhǔn)問題。W.Ludwig在2001年的學(xué)位論文“Development and applicat1nof synchrotron radiat1n microtomography，，，E.Ferrie 等在 2005 年第 27 卷第 10-12期 Internat1nal Journal of Fatigue 的“3D characterisat1n of the nucleat1nof a short fatigue crack at a pore in a cast Al alloy using high resolut1nsynchrotron microtomography，，，L.Qian 在 2008 年第 483-484 卷第 15 期 MaterialsScience & Engineering A 的“Three-dimens1nal visualizat1n of ductile fracturein an Al-Si alloy by high resolut1n synchrotron X-ray microtomography”，H.Zhang等在 2009 年第 57 卷第 11 期 Acta Materialia 的 “Three-dimens1nal fatigue crackgrowth behav1r in an aluminum alloy investigated with in situ high—resolut1nsynchrotron X-ray microtomography，，，H.Toda 等在 2011 年第 59 卷第 5 期 ActaMaterialia 的 “In situ observat1n of ductile fracture using X-ray tomographytechnique”，J.Y.Buffiere在2013年法國SF2M年會(huì)“微結(jié)構(gòu)對疲勞性能的影響”主題報(bào)告等文獻(xiàn)中都采用了同步輻射CT或顯微CT對裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了三維成像表征與分析。其中L.Qian利用同步輻射顯微CT得到了 Al-S1-Mg合金位移控制下不同位置的裂紋切片圖像和同一位置不同位移下的切片圖像，從圖像上顯示了裂紋前沿的微裂紋大小和分布。H.Zhang采用高分辨率CT成像設(shè)備研究了 Al-Mg-Si合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為特點(diǎn)，通過不同疲勞周次下的CT掃描得到了裂紋擴(kuò)展的三維形態(tài)與疲勞周次的對應(yīng)關(guān)系，通過12萬周次下不同層位置的切片圖像顯示了不同位置的損傷差異。J.J.Williams利用美國APS的同步輻射顯微CT在線重構(gòu)了 7075-T6鋁合金不同疲勞周次的三維裂紋形態(tài)，通過投影操作和三維可視化得到了不同疲勞周次下疲勞裂紋三維擴(kuò)展增量圖形。由于原位觀測方式要求疲勞裂紋擴(kuò)展一定階段時(shí)進(jìn)行高分辨率CT掃描成像，對重建圖像通過旋轉(zhuǎn)與平移等操作進(jìn)行配準(zhǔn)，才能有效的進(jìn)行裂紋擴(kuò)展對比。葛修潤自制了凍土 CT掃描實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備，但限于巖土力學(xué)研宄，不適用于金屬材料。國內(nèi)目前還缺少疲勞裂紋擴(kuò)展原位檢測的實(shí)驗(yàn)條件，尤其是缺少采用常規(guī)X射線源的實(shí)驗(yàn)條件。另一種方式是離線CT檢測，即疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)進(jìn)行到一定程度時(shí)，卸載試樣并轉(zhuǎn)移到CT設(shè)備上進(jìn)行CT掃描與重建，存在的問題就在于分階段的CT掃描需要多次重復(fù)的擺放工件，擺放工件過程中，不可能完全做到百分之百原位置擺放，這樣工件前后擺放位置、裂紋擴(kuò)展引起的試樣形變、角度旋轉(zhuǎn)、縮放、試驗(yàn)參數(shù)等因素變化造成疲勞裂紋在CT圖像中的相對位置和尺寸均不一致，無法快速有效地開展疲勞裂紋擴(kuò)展對比分析。因此，圖像配準(zhǔn)是疲勞裂紋擴(kuò)展CT圖像對比分析的前提。這些已發(fā)表對疲勞裂紋擴(kuò)展對比分析的技術(shù)中，大多涉及原位檢測方面，對離線CT多次檢測結(jié)果很少談到具體的CT圖像配準(zhǔn)方法用于解決定位對準(zhǔn)問題。通過設(shè)計(jì)CT掃描定位裝置和CT圖像配準(zhǔn)操作方法專門用于解決因CT成像放大倍數(shù)、圖像旋轉(zhuǎn)與平移等因素造成的位置與尺寸不一致性問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決疲勞裂紋擴(kuò)展過程中離線CT檢測時(shí)重建圖像中存在幾何縮放、旋轉(zhuǎn)角度、平移等不一致問題造成無法進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、連續(xù)檢測結(jié)果對比分析的現(xiàn)狀，提供一種CT掃描定位裝置和一種不同裂紋擴(kuò)展階段的CT圖像配準(zhǔn)對準(zhǔn)方法，在此基礎(chǔ)上提取單像素厚度裂紋擴(kuò)展曲面增量圖形實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展對比分析。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)與加工V型缺口三點(diǎn)彎曲疲勞試樣和CT掃描定位裝置，CT掃描定位裝置固定于CT旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，在三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)過程中停機(jī)后將疲勞試樣安裝在CT掃描定位裝置中進(jìn)行CT掃描與重建，然后將不同疲勞周次的CT重建圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，CT圖像配準(zhǔn)后提取裂紋體中間位置曲面和單像素厚度裂紋擴(kuò)展曲面增量圖形。
[0007](I)設(shè)計(jì)與加工一種V型缺口三點(diǎn)彎曲疲勞試樣，試樣尺寸為長60mmX寬5mmX高5mm，V型缺口加工在中間部位，V型缺口尺寸為長5mmX寬ImmX深0.5mm。
[0008](2) CT掃描定位裝置包括直徑40mm的圓盤、直徑20mm的圓盤和平底方孔，其中直徑20mm的圓盤連接在直徑40mm的圓盤下方，平底方孔加工在直徑40mm圓盤的上表面中心位置，平底方孔深度10mm，尺寸與疲勞試樣截面尺寸相同，確保試樣剛好放置于平底方孔中，將CT掃描定位裝置固定在CT旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心，確保CT掃描幾何與位置參數(shù)一致。
[0009](3)在疲勞試驗(yàn)過程中每隔2000疲勞周次停機(jī)，卸樣并將疲勞試樣放置于CT掃描定位裝置中，確保疲勞試樣下端四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)始終處于CT掃描定位裝置的同一位置，然后進(jìn)行CT掃描與重建，重建后再將疲勞試樣裝回疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，重復(fù)步驟(3)，得到不同疲勞周次后的CT重建圖像。
[0010](4)針對不同疲勞周次的CT重建結(jié)果，選擇參考圖像和待配準(zhǔn)圖像，分別通過CT圖像中的四個(gè)頂點(diǎn)位置配準(zhǔn)優(yōu)化計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度和平移坐標(biāo)參數(shù)，分別以得到的旋轉(zhuǎn)角度和平移坐標(biāo)參數(shù)值對每個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展階段對應(yīng)的CT圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作和平移操作。
[0011](5)圖像配準(zhǔn)后針對最后一個(gè)階段的CT圖像數(shù)據(jù)通過圖像處理提取裂紋和裂紋體的中間位置曲面，曲面厚度為I個(gè)像素，以提取到的裂紋體中間位置曲面表征裂紋擴(kuò)展曲面，依次將不同疲勞周次后的裂紋提取結(jié)果沿Z軸向投影到裂紋擴(kuò)展曲面得到單像素厚度裂紋擴(kuò)展曲面增量圖形，最后通過可視化軟件將單像素厚度裂紋擴(kuò)展曲面增量圖形進(jìn)行三維可視化。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有疲勞裂紋擴(kuò)展顯微CT分析方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):