CN104865139B - 一种用于离线ct检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析方法 - Google Patents

一种用于离线ct检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于离线CT检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析方法，本方法包括如下：(1)三点弯曲疲劳裂纹扩展试样设计、加工和三点弯曲疲劳试验，(2)CT扫描定位装置设计，(3)离线情况下不同疲劳周次下疲劳试样的显微CT扫描与重建，(4)不同疲劳周次下疲劳试样CT图像配准对准和图像变换，(5)裂纹体特征提取和提取裂纹体中间位置曲面，(6)裂纹扩展曲面增量图形与可视化。本发明的优点是：该方法可用于疲劳裂纹三维扩展对比分析。这种处理方法适用于离线CT三维成像检测情形下不同扩展阶段的CT数据对比分析，也可用于表征疲劳裂纹扩展行为，对先进结构材料裂纹扩展分析及寿命预测具有重要的指导意义。

Description

一种用于离线CT检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析 方法
技术领域
本发明涉及一种用于离线CT检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析方法，从三维情形分析疲劳裂纹的萌生与扩展，属于疲劳裂纹三维成像表征技术领域。
背景技术
材料疲劳的本质是疲劳裂纹的萌生和扩展，疲劳裂纹具有易扩展、强破坏、危害大、难检测等特点，一直是疲劳研究领域的重要研究内容。疲劳裂纹的位置、尺寸、分布、形态等信息的确定是裂纹扩展分析的前提，疲劳裂纹具有复杂的薄层体状三维结构特征，其三维形态影响其扩展行为，为了获取裂纹的详细信息，在疲劳裂纹萌生和扩展分析方面迫切需要一种无损检测与三维分析手段。
与其它无损检测手段相比，由于显微CT能以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地获取裂纹的位置、尺寸、分布等信息，可以对疲劳裂纹进行定性、定量与定位分析。
当对疲劳裂纹扩展进行连续观察时，有两种裂纹扩展CT分析方法。一种是原位CT观测方式，这种方式要求疲劳试验设备和CT成像设备同时放在试验现场，一般采用同步辐射光源进行成像，同步辐射光源到探测器的距离远大于常规X射线源到探测器的距离，对设备要求较高，优点在于各种参数相对固定，但不同裂纹扩展阶段的CT图像对比分析时存在图像配准问题。W.Ludwig在2001年的学位论文“Development and application ofsynchrotron radiation microtomography”，E.Ferrié等在2005年第27卷第10-12期International Journal of Fatigue的“3D characterisation of the nucleation of ashort fatigue crack at a pore in a cast Al alloy using high resolutionsynchrotron microtomography”，L.Qian在2008年第483-484卷第15期MaterialsScience&Engineering A的“Three-dimensional visualization of ductile fracturein an Al-Si alloy by high resolution synchrotron X-ray microtomography”，H.Zhang等在2009年第57卷第11期Acta Materialia的“Three-dimensional fatiguecrack growth behavior in an aluminum alloy investigated with in situ high-resolution synchrotron X-ray microtomography”，H.Toda等在2011年第59卷第5期ActaMaterialia的“In situ observation of ductile fracture using X-ray tomographytechnique”，J.Y.Buffière在2013年法国SF2M年会“微结构对疲劳性能的影响”主题报告等文献中都采用了同步辐射CT或显微CT对裂纹扩展进行了三维成像表征与分析。其中L.Qian利用同步辐射显微CT得到了Al-Si-Mg合金位移控制下不同位置的裂纹切片图像和同一位置不同位移下的切片图像，从图像上显示了裂纹前沿的微裂纹大小和分布。H.Zhang采用高分辨率CT成像设备研究了Al-Mg-Si合金疲劳裂纹扩展行为特点，通过不同疲劳周次下的CT扫描得到了裂纹扩展的三维形态与疲劳周次的对应关系，通过12万周次下不同层位置的切片图像显示了不同位置的损伤差异。J.J.Williams利用美国APS的同步辐射显微CT在线重构了7075-T6铝合金不同疲劳周次的三维裂纹形态，通过投影操作和三维可视化得到了不同疲劳周次下疲劳裂纹三维扩展增量图形。由于原位观测方式要求疲劳裂纹扩展一定阶段时进行高分辨率CT扫描成像，对重建图像通过旋转与平移等操作进行配准，才能有效的进行裂纹扩展对比。葛修润自制了冻土CT扫描实验加载设备，但限于岩土力学研究，不适用于金属材料。国内目前还缺少疲劳裂纹扩展原位检测的实验条件，尤其是缺少采用常规X射线源的实验条件。另一种方式是离线CT检测，即疲劳裂纹扩展试验进行到一定程度时，卸载试样并转移到CT设备上进行CT扫描与重建，存在的问题就在于分阶段的CT扫描需要多次重复的摆放工件，摆放工件过程中，不可能完全做到百分之百原位置摆放，这样工件前后摆放位置、裂纹扩展引起的试样形变、角度旋转、缩放、试验参数等因素变化造成疲劳裂纹在CT图像中的相对位置和尺寸均不一致，无法快速有效地开展疲劳裂纹扩展对比分析。因此，图像配准是疲劳裂纹扩展CT图像对比分析的前提。这些已发表对疲劳裂纹扩展对比分析的技术中，大多涉及原位检测方面，对离线CT多次检测结果很少谈到具体的CT图像配准方法用于解决定位对准问题。通过设计CT扫描定位装置和CT图像配准操作方法专门用于解决因CT成像放大倍数、图像旋转与平移等因素造成的位置与尺寸不一致性问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决疲劳裂纹扩展过程中离线CT检测时重建图像中存在几何缩放、旋转角度、平移等不一致问题造成无法进行快速、准确、连续检测结果对比分析的现状，提供一种CT扫描定位装置和一种不同裂纹扩展阶段的CT图像配准对准方法，在此基础上提取单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形实现裂纹扩展对比分析。
本发明的技术方案是：设计与加工V型缺口三点弯曲疲劳试样和CT扫描定位装置，CT扫描定位装置固定于CT旋转台中心，在三点弯曲疲劳试验过程中停机后将疲劳试样安装在CT扫描定位装置中进行CT扫描与重建，然后将不同疲劳周次的CT重建图像进行图像配准，CT图像配准后提取裂纹体中间位置曲面和单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形。
(1)设计与加工一种V型缺口三点弯曲疲劳试样，试样尺寸为长60mm×宽5mm×高5mm，V型缺口加工在中间部位，V型缺口尺寸为长5mm×宽1mm×深0.5mm。
(2)CT扫描定位装置包括直径40mm的大圆柱、直径20mm的小圆柱和平底方孔，其中直径20mm的小圆柱连接在直径40mm的大圆柱下方，平底方孔加工在直径40mm大圆柱的上表面中心位置，平底方孔深度10mm，尺寸与疲劳试样截面尺寸相同，确保试样刚好放置于平底方孔中，将CT扫描定位装置固定在CT旋转台中心，确保CT扫描几何与位置参数一致。
(3)在疲劳试验过程中每隔2000疲劳周次停机，卸样并将疲劳试样放置于CT扫描定位装置中，确保疲劳试样下端四边形的四个顶点始终处于CT扫描定位装置的同一位置，然后进行CT扫描与重建，重建后再将疲劳试样装回疲劳试验机进行三点弯曲疲劳试验，重复步骤(3)，得到不同疲劳周次后的CT重建图像。
(4)针对不同疲劳周次的CT重建结果，选择参考图像和待配准图像，分别通过CT图像中的四个顶点位置配准优化计算出旋转角度和平移坐标参数，分别以得到的旋转角度和平移坐标参数值对每个疲劳裂纹扩展阶段对应的CT图像进行旋转操作和平移操作。
(5)图像配准后针对最后一个阶段的CT图像数据通过图像处理提取裂纹和裂纹体的中间位置曲面，曲面厚度为1个像素，以提取到的裂纹体中间位置曲面表征裂纹扩展曲面，依次将不同疲劳周次后的裂纹提取结果沿z轴向投影到裂纹扩展曲面得到单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形，最后通过可视化软件将单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形进行三维可视化。
本发明与现有疲劳裂纹扩展显微CT分析方法相比，具有以下优点：
(1)解决了不同疲劳周次对应的裂纹扩展显微CT分析时因图像放大倍数、旋转与平移等因素造成的位置与尺寸不一致性问题；(2)可以在离线CT检测条件下进行疲劳裂纹三维扩展对比分析。
附图说明
图1为本发明三点弯曲疲劳试验设计示意图。
图2为本发明CT扫描定位装置设计示意图。
图3为本发明三点弯曲疲劳试验加载示意图。
图4为本发明三点弯曲疲劳试验后的疲劳试样置于CT扫描定位装置示意图。
在图中，1为试样，2、V型缺口，3、位置(试样下端距离中间部位5mm位置)，4、大圆柱，5、小圆柱，6、平底方孔，7、夹具，8、夹具，9、夹具。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，采用机械加工方法加工疲劳裂纹扩展三点弯曲疲劳试样1，试样尺寸为60mm(长)×5mm(宽)×5mm(高)，在疲劳试样中间部位采用机械加工方法或电火花方法加工出一条长5mm×宽1mm×深0.5mm的V型缺口2。采用细砂纸进行表面打磨抛光，光洁度达到7以上。
如图2所示，CT扫描定位装置包括直径40mm的大圆柱4、直径20mm的小圆柱5、平底方孔6，其中小圆柱5位于大圆柱4下方并连为一体，平底方孔6加工在大圆柱4的上表面中心位置，尺寸为5mm(长)×5mm(宽)×10mm(深)，将CT扫描定位装置固定在CT旋转台中心。
采用疲劳试验机对三点弯曲疲劳试样进行三点弯曲疲劳试验，图3为三点弯曲疲劳试验加载示意图，包括夹具7、夹具8和夹具9，夹具8和夹具9间距为40mm，在疲劳试验过程中按疲劳周次或位移控制停机，每隔2000疲劳周次停机，将疲劳试样卸载并移开加载夹具头。借助微米焦点X射线源高分辨率DR成像和扫描电镜表面裂纹分析结果确定本次三点弯曲试验后的疲劳试样是否需要进行CT扫描与重建。
将一定疲劳周次下的疲劳试样放置于CT扫描定位装置中，放置时保证疲劳试样下端四边形的四个顶点始终处于CT扫描定位装置的同一位置，即点A对应点A′，点B对应点B′，点C对应点C′，点D对应点D′，同时保持CT旋转台的中心位置不动，进行CT扫描与重建，图4为疲劳试样放置于CT扫描定位装置示意图。
CT检测后再返回重新装样加载，保持夹具头间距40mm不变，重新按原加载条件加载，2000疲劳周次后停机，将疲劳试样卸载并移开加载夹具头，再次将疲劳试样按对应位置装在CT定位装置上进行CT扫描与重建。如此反复多次得到不同疲劳周次后的CT检测结果。
以三点弯曲试验前的疲劳试样下端距离中间部位5mm位置(图1中3)的重建图像为参考图像，将不同疲劳周次后的疲劳试样下端距离中间部位5mm位置(图1中3)的重建图像为待配准对象，分别选择参考图像和待配准图像中的四个顶点位置进行配准，利用powell算法获取带配准图像与参考图像的位移及旋转角度参数，然后输出配准参数值，最后分别以得到的旋转角度和平移坐标参数值对每个疲劳裂纹扩展阶段对应的CT图像进行旋转操作和平移操作。
根据CT图像配准后的结果，针对最后一个裂纹扩展阶段的CT重建结果，通过图像处理方法提取裂纹体，裂纹点赋值255，其它点赋值0。将裂纹体特征提取后的z轴向切片图像堆积组成三维数据，将三维数据投影到xy坐标平面，得到投影图像，受裂纹提取精度或裂纹扩展等因素的影响，投影图像可能会出现孔洞。对投影图像黑色背景区域进行二维区域生长，通过减影操作得到理想的三维裂纹体投影图像，计算裂纹体的平均厚度对图像空间内每一个像素点(x,y)寻找裂纹扩展曲面在当前点(x,y)对应的z坐标值，若投影图像当前点(x,y)为255(白色点)，将三维裂纹体沿厚度(z轴)方向搜索裂纹的起始点z1和终止点z2，计算z＝(z1+z2)/2，作为裂纹扩展曲面当前点的z值，此时点(x,y,z)赋灰度值255，沿z轴向其它z值位置点赋灰度值0；若投影图像当前点(x,y)为0(黑色点)，且理想的三维裂纹体投影图像当前点(x,y)为255(白色点)，则裂纹扩展曲面在当前点是孔洞点，将平均厚度插值填充作为裂纹扩展曲面当前点的z值，此时点(x,y,z)赋灰度值255，沿z轴向其它z值位置点赋灰度值0；若投影图像当前点(x,y)为0(黑色点)，且理想的三维裂纹体投影图像当前点(x,y)为0(黑色点)，则裂纹扩展曲面未扩展到当前位置，不需要处理，此时点(x,y,z)赋灰度值0；其它情形的所有位置点赋灰度值0；对所有像素点循环后得到单像素厚度的裂纹扩展曲面全部坐标点位置，由此提取得到单像素厚度裂纹扩展曲面。
依次将不同疲劳周次的裂纹提取结果投影到单像素厚度裂纹扩展曲面，当裂纹扩展时赋以一种新的颜色表示裂纹扩展部分，将投影后的所有坐标点位置及灰度值按三维数组分布存储为对应的z轴向切片图像，导入可视化软件进行三维可视化，由此得到单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形。

Claims (1)

1.一种用于离线CT检测条件下的疲劳裂纹三维扩展对比分析方法，其特征在于方法为：
(a) 机械加工三点弯曲疲劳试样(1)，试样尺寸为长60mm×宽5mm×高5mm，在中间部位加工V型缺口(2)，V型缺口尺寸为长5mm×宽1mm×深0.5mm；
(b) CT扫描定位装置包括直径40mm的大圆柱(4)、直径20mm的小圆柱(5)和平底方孔(6)，专门用于疲劳试样安装定位，其中小圆柱(5)连接在大圆柱(4)下方，在大圆柱(4)的上表面中心位置加工平底方孔(6)，用于安装三点弯曲疲劳试样，将CT扫描定位装置固定在CT旋转台中心，确保CT扫描几何与位置参数一致；
(c) 在疲劳试验过程中每隔2000疲劳周次停机，卸样并将疲劳试样放置于CT扫描定位装置中，确保疲劳试样下端四边形的四个顶点始终处于CT扫描定位装置的同一位置，然后进行CT扫描与重建，重建后再将疲劳试样装回疲劳试验机进行三点弯曲疲劳试验，重复步骤(c)，得到不同疲劳周次后的CT重建图像；
(d) 以疲劳试验前CT重建图像下端距中间部位5mm处的重建图像为参考图像，将不同疲劳周次后的疲劳试样重建图像下端距中间部位5mm处的重建图像为待配准对象，分别通过CT图像中的四个顶点位置配准优化计算出旋转角度和平移坐标参数，分别以得到的旋转角度和平移坐标参数值对每个疲劳裂纹扩展阶段对应的CT图像进行图像旋转操作和平移操作；
(e) 根据最后一个裂纹扩展阶段的CT图像数据采用图像处理提取裂纹特征和裂纹体的中间位置曲面，曲面厚度为1个像素，以提取到的裂纹体中间位置曲面表征裂纹扩展曲面，依次将不同疲劳周次后的裂纹提取结果沿z轴向投影到该裂纹扩展曲面得到单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形，最后通过可视化软件将单像素厚度裂纹扩展曲面增量图形进行三维可视化，实现疲劳裂纹三维扩展对比分析。
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