CN107358005A - 基于真实微观组织结构sem‑ebsd图像的有限元模型建模方法 - Google Patents

基于真实微观组织结构sem‑ebsd图像的有限元模型建模方法 Download PDF

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Abstract

基于真实微观组织结构SEM‑EBSD图像的有限元模型建模方法，本发明涉及SEM‑EBSD图像的有限元模型建模方法。本发明的目的是为了解决现有构建的代表性体积单元模型与材料真实晶体结构具有较大差异，精度低以及基于真实微观组织结构的建模方法研究设备十分昂贵的问题。一、截取关注区域，得到一幅补全四周的晶粒图像；二、得到非单像素的红色线条；三、得到细化后的图像；四、进行去毛刺处理，得到处理后的图像：五、进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；六、对图像的所有晶粒拐点的直角进行连接处理；七、得到晶粒和整个晶粒图谱。本发明用于SEM‑EBSD图像的有限元模型建模领域。

Description

基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法
技术领域
本发明涉及SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法。
背景技术
在采用晶体塑性有限元方法研究金属材料的晶粒尺度力学性能时，需要构建与真实材料微结构具有近似结构的代表性体积单元(Representative volume element，RVE)模型。目前，有多种算法可以实现代表性体积单元的构建，包括元胞自动机、蒙特卡洛算法、相场法、冯洛诺伊图(Voronoi diagram)等方法。然而，这些方法构建的模型一般是以多边形近似晶粒形状，部分方法构建的模型不能反映晶向特征，使得构建的代表性体积单元模型与材料真实晶体结构具有较大差异，有限元仿真研究的精度低。近年来，出现大量基于真实微观组织结构的建模方法，例如基于中子原位检测技术重构三维几何模型的方法，但是该型研究设备十分昂贵，还没有广泛使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有构建的代表性体积单元模型与材料真实晶体结构具有较大差异，精度低以及基于真实微观组织结构的建模方法研究设备十分昂贵的问题，而提出基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法。
基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法具体过程为：
步骤一、截取关注区域，得到一幅补全四周的晶粒图像；具体过程为：
从整个晶粒图谱中任意选取一幅图像，被选取的图像区域是无边界线的图像区域，采用一个矩形边框将无边界线的图像区域补全四边，得到一幅补全四周的晶粒图像；
步骤二、消除步骤一得到图像中的干扰线条，得到非单像素的红色线条；具体过程为：
采用SEM-EBSD对步骤一得到的补全四周的晶粒图像进行识别，得到补全四周的晶粒图像的晶粒图谱上除了以黑色为晶界包围的晶粒外，还存在以红色为晶界包围的晶粒，采用RGB颜色转换，将步骤一得到的补全四周的晶粒图像的白色反色为黑色，黑色改为红色，红色转为黑色；
所述采用RGB颜色转换，黑色改为红色中的红色线条为非单像素的红色线条；
SEM-EBSD为结晶学-扫描电镜；
步骤三、采用L形骨架，对步骤二得到的非单像素的红色线条进行细化，得到细化后的图像；
步骤四、对步骤三得到的细化后的图像进行去毛刺处理，得到处理后的图像：
步骤五、对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；
步骤六、对经步骤五得到的均匀处理后的图像的所有晶粒像素拐点的直角进行连接处理，得到处理后的图像；
步骤七、对步骤六得到的处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，得到晶粒和整个晶粒图谱。
本发明的有益效果为：
本发明基于图像数据处理技术，根据SEM-EBSD图像的拓扑信息，提取真实微观组织结构晶粒形状和晶向特征，按照商用有限元软件ABAQUS规定的模型格式输出，最终在ABAQUS中构建具有真实微观组织结构的有限元模型，结合图12、图13，图12为晶粒图谱真实示意图；图13为本发明基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法得到的晶粒图谱示意图，得出本发明有限元模型与材料真实晶体结构差异小、提高了有限元仿真研究的精度，只需商用有限元软件ABAQUS和SEM-EBSD图像，费用低，适合于广泛应用。
附图说明
图1为本发明步骤一从整个晶粒图谱中任意选取一幅图像示意图；
图2为本发明步骤二采用RGB颜色转换，消除红色线条颜色的影响，得到的结果图；
图3为本发明步骤三采用L形骨架对线条进行细化，得到细化后的图形示意图；
图4为本发明步骤四对细化后的图形进行去毛刺处理，得到处理后的图像示意图；
图5为本发明步骤五对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化后的效果图；
图6为本发明步骤六对经步骤五处理后的图像的所有晶粒拐点的直角进行连接处理的示意图；
图7为SEM-EBSD图像示意图；
图8为根据SEM-EBSD图像预处理得到的晶粒晶界示意图；
图9为经过图像细化处理后得到的晶粒晶界示意图；
图10为对完整闭合晶界围成的晶粒染色标记后得到的结果图；
图11为本发明晶粒和整个晶粒图谱示意图；
图12为晶粒图谱真实示意图；
图13为本发明基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法得到的晶粒图谱示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法具体过程为：
为了达到这一目标，采用了预处理和细化处理两个步骤，其中，预处理的作用是消除干扰线条和实现单像素晶粒边界，而细化处理则是消除毛刺以形成晶粒闭合边界。流程如图1-6所示。
步骤一、截取关注区域，得到一幅补全四周的晶粒图像；具体过程为：
从整个晶粒图谱中任意选取一幅图像，如图1所示。被选取的图像区域是无边界线的图像区域，采用一个矩形边框将无边界线的图像区域补全四边，得到一幅补全四周的晶粒图像，为处于四周的晶粒补全晶界，为下一步图像处理做准备；
步骤二、消除步骤一得到图像中的干扰线条，得到非单像素的红色线条；具体过程为：
采用SEM-EBSD对步骤一得到的补全四周的晶粒图像进行识别，得到补全四周的晶粒图像的晶粒图谱上除了以黑色为晶界包围的晶粒外，还存在以红色为晶界包围的晶粒，红色线条干扰了对晶粒晶界的识别。采用RGB颜色转换，将步骤一得到的补全四周的晶粒图像的白色反色为黑色，黑色改为红色，红色转为黑色，可以简单的消除红色线条颜色的影响，得到的结果如图2所示；
所述采用RGB颜色转换，黑色改为红色中的红色线条为非单像素的红色线条；
SEM-EBSD为结晶学-扫描电镜；
图2所示为经过步骤一-步骤二处理得到的结果。
经过预处理后，晶粒图谱中的单像素线条已经初步用作晶粒边界，但是作为ABAQUS 进行有限元分析的模板还有一些问题，需要进一步细化处理。
步骤三、线条的单像素处理：
采用如图3所示的L形骨架，对步骤二得到的非单像素的红色线条进行细化，得到细化后的图像；
步骤四、对步骤三得到的细化后的图像进行去毛刺处理，得到处理后的图像：
步骤五、对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；
步骤六、直角拐点处理：
此步骤主要目的是为了方便的进行有限元网格划分。如图6所示，图中显示白色为晶粒像素拐点的直角，连接处理后在图中显示为黑色，对经步骤五得到的均匀处理后的图像的所有晶粒像素拐点的直角进行连接处理，得到处理后的图像；在进行有限元分析时，采用四节点单元进行整齐的有限元网格划分；
步骤七、对步骤六得到的处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，得到晶粒和整个晶粒图谱。
经过上述处理后，在晶粒图谱中形成了具有闭合线条构成晶界的晶粒，同时，对晶粒的尺寸和数量也做了适当的调整，如图7、8、9、10所示。图7所示为SEM-EBSD图像，图8所示为根据SEM-EBSD图像预处理得到的晶粒晶界，图9所示为经过图像细化处理后得到的晶粒晶界，图10所示为对完整闭合晶界围成的晶粒染色标记后得到的结果。可以看出，进行图像处理后的晶粒图谱已经十分清晰，可以用于构建有限元模型。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中对步骤三得到的细化后的图像进行去毛刺处理，得到处理后的图像；具体过程为：
有限元模型中的晶粒是闭合曲线形成的，而经过预处理的图像，由于采用L型骨架进行了边界细化，导致晶粒晶界上存在大量较短的非闭合线条，本文称之为毛刺。
设定非闭合线条的像素数为N，当步骤三得到的细化后的图像中毛刺的像素数小于等于N值时，将毛刺直接消除，处理结果如图4所示。当步骤三得到的细化后的图像中毛刺的像素数大于N值时，毛刺被认为是晶界的组成部分，此时，通过搜索最近线条端点并与之相连形成新的晶粒。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤五中对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；具体过程为：
采用SEM-EBSD对步骤四得到的处理后的图像进行识别，得到图像的晶粒度，计算任一个晶粒尺寸小于5um大于3um的晶粒周围有共同像素点的晶粒的面积(先找到一个晶粒尺寸小于5um大于3um的晶粒，查找晶粒周围有共同像素点的晶粒的面积选择面积最小的晶粒，消除两者共同边界，实现晶粒合并，在找到一个晶粒尺寸小于5um大于3um 的晶粒，查找晶粒周围有共同像素点的晶粒的面积选择面积最小的晶粒，消除两者共同边界，实现晶粒合并)，选择面积最小的晶粒，消除两者共同边界，实现晶粒合并，达到晶粒尺寸均匀化的效果，完成图如图5所示。需要注意的是，晶粒均匀化会减小晶粒数量，进而降低微观组织结构的复杂程度，虽然可以提高计算效率，但可能会增加材料宏观力学性能分散性。
周围为有共同像素点作为共同边界的，就是相接壤；
图4中存在大量细小的晶粒，采用SEM-EBSD对步骤四得到的图像进行识别，得到图像的晶粒度，将细小晶粒合并入附近的大尺寸晶粒；
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤七中对步骤六得到的处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，得到晶粒和整个晶粒图谱；具体过程为：
根据晶粒图谱中的像素点的坐标位置以及像素点连接的拓扑关系，就可以在ABAQUS重构晶粒图谱，实现具有真实微观组织结构的有限元仿真模型。
步骤七一、对步骤六处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，并按照有限元软件ABAQUS规定的文件格式顺序输出，文件格式采用后缀为“.xlsx”的电子表格；由于在图像处理时已经对晶粒晶界进行了骨架化处理，因此，相邻晶粒的晶界像素点是重合的，这样做的优点在于不必考虑晶粒之间的接触关系，使得整个晶粒图谱的拓扑关系变的十分简单。
步骤七二、利用有限元软件ABAQUS的PYTHON语言接口，读取“.xlsx”文件，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置和连接关系连点成线，进而围成晶粒和整个晶粒图谱，如图11所示，由于每个晶粒都是由闭合曲线围成，因此每个晶粒都可以看做是独立实体赋予材料属性，这就为模拟材料微观力学性能分散性，并进行材料微观组织结构演化的仿真奠定了基础。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

Claims (4)

1.基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、截取关注区域，得到一幅补全四周的晶粒图像；具体过程为：
从整个晶粒图谱中任意选取一幅图像，被选取的图像区域是无边界线的图像区域，采用一个矩形边框将无边界线的图像区域补全四边，得到一幅补全四周的晶粒图像；
步骤二、消除步骤一得到图像中的干扰线条，得到非单像素的红色线条；具体过程为：
采用SEM-EBSD对步骤一得到的补全四周的晶粒图像进行识别，得到补全四周的晶粒图像的晶粒图谱上除了以黑色为晶界包围的晶粒外，还存在以红色为晶界包围的晶粒，采用RGB颜色转换，将步骤一得到的补全四周的晶粒图像的白色反色为黑色，黑色改为红色，红色转为黑色；
所述采用RGB颜色转换，黑色改为红色中的红色线条为非单像素的红色线条；
SEM-EBSD为结晶学-扫描电镜；
步骤三、采用L形骨架，对步骤二得到的非单像素的红色线条进行细化，得到细化后的图像；
步骤四、对步骤三得到的细化后的图像进行去毛刺处理，得到处理后的图像：
步骤五、对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；
步骤六、对经步骤五得到的均匀处理后的图像的所有晶粒像素拐点的直角进行连接处理，得到处理后的图像；
步骤七、对步骤六得到的处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，得到晶粒和整个晶粒图谱。
2.根据权利要求1所述基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法，其特征在于：所述步骤四中对步骤三得到的细化后的图像进行去毛刺处理，得到处理后的图像；具体过程为：
设定非闭合线条的像素数为N，当步骤三得到的细化后的图像中毛刺的像素数小于等于N值时，将毛刺直接消除，当步骤三得到的细化后的图像中毛刺的像素数大于N值时，毛刺被认为是晶界的组成部分，通过搜索最近线条端点并与之相连形成新的晶粒。
3.根据权利要求2所述基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法，其特征在于：所述步骤五中对步骤四得到的处理后的图像进行晶粒均匀化，得到均匀处理后的图像；具体过程为：
采用SEM-EBSD对步骤四得到的处理后的图像进行识别，得到图像的晶粒度，计算任一个晶粒尺寸小于5um大于3um的晶粒周围有共同像素点的晶粒的面积，选择面积最小的晶粒，消除两者共同边界，实现晶粒合并。
4.根据权利要求3所述基于真实微观组织结构SEM-EBSD图像的有限元模型建模方法，其特征在于：所述步骤七中对步骤六得到的处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，得到晶粒和整个晶粒图谱；具体过程为：
步骤七一、对步骤六处理后的图像每一个闭合边界区域所代表的晶粒进行编号，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置搜索每个像素点的连接关系，并按照有限元软件ABAQUS规定的文件格式顺序输出，文件格式采用后缀为“.xlsx”的电子表格；
步骤七二、利用有限元软件ABAQUS的PYTHON语言接口，读取“.xlsx”文件，根据组成晶粒晶界的像素点的坐标位置和连接关系连点成线，进而围成晶粒和整个晶粒图谱。
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