CN103076347A - 基于原位x射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，包括以下步骤：步骤10)：将一脆性材料样品固定在原位加载装置上；步骤20)：对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得三维断层图像数据G₁(x，y，z)；步骤30)：对脆性材料样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录变形量；步骤40)：对损伤样品，进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据，进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)；步骤50)：选取子区尺寸；步骤60)：测算G_1-subset(x，y，z)和G_2-subset(x，y，z)中体素的灰度平均值 步骤70)：获得损伤样品力学损伤的三维空间分布。该测量方法可以准确得到脆性材料的三维局部损伤变量的空间分布。

Description

基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法

技术领域

本发明属于各种脆性材料的损伤力学和实验力学范畴，具体来说，涉及一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法。

背景技术

水泥混凝土、陶瓷、岩石、砖石、树脂等脆性材料在生产生活中被广泛应用，但这类材料在力学荷载服役过程中，不可避免的发生组织结构的劣化，比如细观结构缺陷如微裂纹、微孔隙等萌生、扩展等不可逆变化，从而引起的材料或结构宏观力学性能的劣化，在损伤力学中称之为称为损伤。

损伤力学主要研究材料或构件在各种服役条件下，其中损伤随变形而演化发展并最终导致破坏的过程中的力学规律。损伤力学选取合适的损伤变量，利用连续介质力学的唯象方法或细观力学、统计力学的方法，导出含损伤的材料的损伤演化方程。损伤变量是建立损伤模型，对材料或结构进行损伤分析的前提。损伤变量是表征材料或结构劣化程度的量度，直观上可理解为微裂纹或空洞在整个材料中所占体积的百分比。损伤变量的定义大都从损伤力学的奠基人Kachanov所提出的有效承载面积的减少而来。

现有测量材料损伤变量的方法主要有两类：一类是显微观测法，一类是无损法。显微观测法主要是用光学显微镜、扫描电镜等对损伤后样品进行破损取样，观测并统计切面的裂纹量。该类方法的主要缺点是只能在损伤后进行，而且是破损性的分析，另外该类方法只能从二维断面去推测三维信息。另外一类是无损的损伤变量测量方法，主要包括超声法、数字图像相关法、断层照相法。超声法只能给出整个样品的统计损伤平均值；数字图像相关法只能得到二维的表面变形损伤。

断层照相是一种从观测数据来反演物理模型的测算方法，因为这种反演变换只能采用计算机来完成，所以一般称为计算机断层。X射线断层照相就是利用X射线穿透各种材料并被部分吸收后，在检测器所得到的射线强度信号，在经过计算机对数据进行处理计算得到断层像。因为X射线断层照相具有原位观测，三维透视的优点，所以被应用到材料损伤研究中。以前的断层照相法分析材料损伤主要分为两类：一类是对损伤后样品直接进行裂纹统计分析，另一类是通过对损伤前后的切片直接进行差影处理获取损伤变量。第一类方法类似于传统的显微镜观测法，但是X射线断层照相的分辨率不足以分辨出细小的裂纹，所以严重低估了损伤的程度。第二类方法的缺点是无法将变形和损伤分开，因为变性的存在，前后两次测试的根本就不是同一个区域，直接差影就不准确，另外该方法也无法给出三维损伤变量的空间分布。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，该测量方法可以准确得到脆性材料的三维局部损伤变量的空间分布。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

步骤10)：将一脆性材料样品用5-10牛顿的荷载力固定在基于X射线断层照相的原位加载装置上；

步骤20)：设定断层照相测试条件，对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得脆性材料样品的三维断层图像数据G₁(x，y，z)，其中，x的取值范围为1至x₀之间的整数，y的取值范围为1至y₀之间的整数，z的取值范围为1至z₀之间的整数，x₀、y₀和z₀代表脆性材料样品的三维体素尺寸；

步骤30)：利用原位加载装置，对步骤10)的脆性材料样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录在该损伤程度下的变形量；

步骤40)：对步骤30)的损伤样品，在与步骤20)相同的断层照相测试条件下，原位进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据，并根据该损伤程度下的变形量，对损伤样品的三维断层图像数据进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)；

步骤50)：选取子区尺寸p，p为整数，且1≤p≤100，将相邻的p³个体素确立的立方体视为一个子区；

步骤60)：用步骤50)选取的子区，将G₁(x，y，z)分成不同的子区G_1-subset(x，y，z)，测算每个G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

并用步骤50)选取的子区，将G₂(x，y，z)分成不同的子区G_2-subset(x，y，z)，测算每个G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

步骤70)：利用式(1)获得损伤样品力学损伤的三维空间分布，

$D(x,y,z)=\frac{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}-\stackrel{\‾}{G_{2-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}$ 式(1)

其中，D(x，y，z)表示损伤样品力学损伤的三维空间分布位置，

表示G₁(x，y，z)中每个子区G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值，

表示G₂(x，y，z)中每个子区G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的测量方法通过对力学损伤材料样品的两次原位在线X射线断层照相测试获取脆性材料损伤。结合原位损伤和三维数字图像插值将脆性材料的损伤和变形分开，定义局部子区并在子区上获取局部损伤变量，从而最终得到脆性材料的三维局部损伤变量的空间分布。本发明可以在线研究各种脆性材料的力学损伤，可用于水泥基材料(净浆、砂浆和混凝土)，岩石材料，树脂材料，陶瓷材料，玻璃材料等各种脆性材料。借助于本专利方法不但可以直接对一些脆性材料进行损伤的实验研究，而且可对一些脆性材料的细观力学损伤模型提供合理的实验数据支撑，从而为脆性材料力学损伤研究提供有力的支撑。

附图说明

图1为本发明实施例步骤20)中样品的X射线断层照相测试图。

图2为本发明实施例步骤40)中样品的X射线断层照相测试图。

图3为本发明实施例中损伤后水泥样品的局部损伤变量的三维空间分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的一种基于原位在线X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，包括以下步骤：

步骤10)：将一脆性材料样品用5-10牛顿的荷载力固定在基于X射线断层照相的原位加载装置上。

在步骤10)中，基于X射线断层照相的原位加载装置为现有装置，例如，专利申请号为201110163456.6，发明名称为“基于X射线断层照相的原位加载装置”的专利文献公开的原位加载装置。X射线断层照相设备只要能够实现本发明之照相测试目的即可，但是，本申请优选具有毫米或亚毫米空间分辨率的医用X射线断层照相装置、显微X射线断层照相装置，或者纳米X射线断层照相装置。脆性材料样品可以是指水泥基材料样品、岩石材料样品、树脂材料样品、陶瓷材料样品、玻璃材料样品或其他脆性材料样品。其中，水泥基材料样品是指水泥净浆、砂浆或者混凝土。

步骤20)：设定断层照相测试条件，对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得脆性材料样品的三维断层图像数据G₁(x，y，z)，其中，x的取值范围为1至x₀之间的整数，y的取值范围为1至y₀之间的整数，z的取值范围为1至z₀之间的整数，x₀、y₀和z₀代表脆性材料样品的三维体素尺寸。

在步骤20)中，设定断层照相测试条件是指设定X射线断层照相设备的加速电压、电流、放大倍数和滤波片参数。G₁(x，y，z)是一个三维数据组，比如1024*1024*1024个体素数据，每个三维数据由(x，y，z)坐标确定。

步骤30)：利用原位加载装置，对步骤10)的脆性材料样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录在该损伤程度下的变形量。

在步骤30)中，力学损伤包括轴压、拉伸，或者弯曲荷载损伤。

步骤40)：对步骤30)的损伤样品，在与步骤20)相同的断层照相测试条件下，原位进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据，并根据该损伤程度下的变形量，对损伤样品的三维断层图像数据进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)。

步骤50)：选取子区尺寸p，p为整数，且1≤p≤100，将相邻的p³个体素确立的立方体视为一个子区。

步骤60)：用步骤50)选取的子区，将G₁(x，y，z)分成不同的子区G_1-subset(x，y，z)，测算每个G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

并用步骤50)选取的子区，将G₂(x，y，z)分成不同的子区G_2-subset(x，y，z)，测算每个G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

步骤70)：利用式(1)获得损伤样品力学损伤变量的三维空间分布，

$D(x,y,z)=\frac{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}-\stackrel{\‾}{G_{2-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}$ 式(1)

其中，D(x，y，z)表示损伤样品力学损伤变量的三维空间分布位置，表示G₁(x，y，z)中每个子区G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值，

表示G₂(x，y，z)中每个子区G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值。

本发明测量方法的工作原理是：考虑断层图像测试，选定任意一个体素，力学损伤后测试体素体积不变，但因为力学损伤而引入缺陷孔隙，从而导致同一个体素的密度降低，线吸收系数降低。损伤变量如果用密度变化相对于初始密度定义，则因力学损伤而增加的孔隙率代表了损伤变量。进一步考虑X射线断层图像，利用灰度图像描述测试样品的线吸收系数分布，即在同样的测试条件下，图像的任意体素的灰度值正比于材料的线吸收系数，因此用灰度的相对变化量即可测算损伤变量。要想对损伤前后两次断层照相数据进行直接差影，需要样品完全保持原位。借助于原位在线加载装置只能保证样品的机械位置不动，但样品的变形不可避免，因为本专利方法用三维数字图像插值的方法解决该问题，因为插值只能根据变形量均匀插值，即要求样品尽可能的弹性变形。这是本发明的测量方法只适用于脆性材料的原因。借助于三维数字图像插值，不但解决了体素错位的问题，而且将弹性变形和损伤加以分开。前述损伤前后是针对每一个体素的，将相邻多个体素合成为子区后，前述过程对每个子区也同样成立，而且引入子区可以降低统计误差。本发明的测量方法中，用X射线断层照相获得的灰度信息计算损伤变量，结合原位损伤和三维数字图像插值将脆性材料的损伤和变形分开，定义局部子区并在子区上获取局部损伤变量，从而最终得到脆性材料的三维局部损伤变量的空间分布。

实施例：

首先用普通硅酸盐水泥制备了水灰比为0.35的水泥净浆样品，并标准养护12个月。以水泥净浆样品作为本实施例脆性材料样品。

步骤10)：取养护好的水泥净浆样品，将其用5牛顿的荷载固定在基于X射线断层照相的原位加载装置上。

步骤20)：设定断层照相测试条件，设定X射线断层照相设备的加速电压200kV、电流0.3mA、放大倍数7.8倍(对应于有效体素尺寸为26微米)，对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得脆性材料样品的三维断层图像数据G₁(x，y，z)，如图1所示。图1是第一次X射线断层照相测试的照片。其中，x的取值范围为1至336之间的整数，y的取值范围为1至336之间的整数，z的取值范围为1至336之间的整数。336、336和190代表水泥净浆样品的三维体素尺寸。

步骤30)：利用原位加载装置，用20MPa的轴压应力，对水泥净浆样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录在该损伤程度下的沿轴压方向的变形量为100微米，垂直于压缩方向的变形量为20微米。

步骤40)：对步骤30)的损伤样品，在与步骤20)相同的断层照相测试条件下，原位进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据并根据该损伤程度下的变形量，对三维断层图像数据进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)。如图2所示。图2是第二次X射线断层照相测试的照片。

步骤50)：选取子区尺寸为182微米，每个体素尺寸为26微米，即将相邻的7³个体素合成一个子区；

步骤60)：用步骤50)选取的子区，将G₁(x，y，z)分成不同的子区G_1-subset(x，y，z)，测算每个G_1-subset(x，y，z)中7³个体素的灰度平均值

并用步骤50)选取的子区，将G₂(x，y，z)分成不同的子区G_2-subset(x，y，z)，测算每个G_2-subset(x，y，z)中7³个体素的灰度平均值

步骤70)：利用式(1)获得损伤样品力学损伤变量的三维空间分布，

$D(x,y,z)=\frac{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}-\stackrel{\‾}{G_{2-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}$ 式(1)

最后得到的局部损伤变量的三维空间分布，如图3所示。

以上所述仅是本发明的实施例之一，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：

步骤10)：将一脆性材料样品用5-10牛顿的荷载力固定在基于X射线断层照相的原位加载装置上；

步骤20)：设定断层照相测试条件，对脆性材料样品进行第一次X射线断层照相测试，获得脆性材料样品的三维断层图像数据G₁(x，y，z)，其中，x的取值范围为1至x₀之间的整数，y的取值范围为1至y₀之间的整数，z的取值范围为1至z₀之间的整数，x₀、y₀和z₀代表脆性材料样品的三维体素尺寸；

步骤30)：利用原位加载装置，对步骤10)的脆性材料样品进行原位在线力学损伤，获得损伤样品，并记录在该损伤程度下的变形量；

步骤40)：对步骤30)的损伤样品，在与步骤20)相同的断层照相测试条件下，原位进行第二次X射线断层照相测试，获得损伤样品的三维断层图像数据，并根据该损伤程度下的变形量，对损伤样品的三维断层图像数据进行三维数字图像插值处理，插值后的三维数据为G₂(x，y，z)；

步骤50)：选取子区尺寸p，p为整数，且1≤p≤100，将相邻的p³个体素确立的立方体视为一个子区；

步骤60)：用步骤50)选取的子区，将G₁(x，y，z)分成不同的子区G_1-subset(x，y，z)，测算每个G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

并用步骤50)选取的子区，将G₂(x，y，z)分成不同的子区G_2-subset(x，y，z)，测算每个G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值

步骤70)：利用式(1)获得损伤样品力学损伤的三维空间分布，

$D(x,y,z)=\frac{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}-\stackrel{\‾}{G_{2-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}{\stackrel{\‾}{G_{1-\mathrm{subset}}(x,y,z)}}$ 式(1)

其中，D(x，y，z)表示损伤样品力学损伤的三维空间分布位置，

表示G₁(x，y，z)中每个子区G_1-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值，

表示G₂(x，y，z)中每个子区G_2-subset(x，y，z)中p³个体素的灰度平均值。

2.如权利要求1所述的基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，所述的X射线断层照相设备是指具有毫米或亚毫米空间分辨率的医用X射线断层照相装置、显微X射线断层照相装置，或者纳米X射线断层照相装置。

3.如权利要求1所述的基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，所述的步骤20)中，设定断层照相测试条件是指设定X射线断层照相设备的加速电压、电流、放大倍数和滤波片参数。

4.如权利要求1所述的基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，所述的脆性材料样品是指水泥基材料样品、岩石材料样品、树脂材料样品、陶瓷材料样品、或者玻璃材料样品。

5.如权利要求4所述的基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，所述的水泥基材料样品是指水泥净浆、砂浆或者混凝土。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的基于原位X射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法，其特征在于，所述的步骤30)中，力学损伤包括轴压、拉伸，或者弯曲荷载损伤。

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