CN109614695A - 一种通过3d打印技术分析断口微观表面形貌的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法及其应用，包括以下步骤：将数码显微镜结合电脑软件获取材料断口微观表面形貌的剖面线上各点的三维坐标值，并将所述各点的三维坐标值全部生成点云后进行数据存储；将存储的数据进行逆向坐标建模，以画出材料断口微观表面形貌的三维数据模型；将三维数据模型利用3D打印机进行逐层打印，以形成材料断口微观表面形貌的实体模型；利用实体模型进行材料断口失效分析。本发明有效的弥补了应用宏观观察及显微镜进行断口表面形貌失效分析中不够全面、立体和直观的缺陷，对断口裂纹的成因进行更加有效的直观形象立体的微观组织分析，可直观的理解形成裂纹的内在原因。
Description
技术领域
本发明属于断裂失效分析技术领域，特别涉及一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法及其应用。
背景技术
机械产品的失效分析的具有综合性的特点：涉及不同领域的技术，比如金属物理，强度和断裂、摩擦学、腐蚀学、表面科学、材料科学、熔炼、加工、可靠性技术工程等。应用计算机进行失效分析工作，将大大提高分析工作的准确性和可靠性。用计算机分析失效，可以排除因失效分析工作人员的经验、素质和手段不足而带来的局限性和误判。计算机数据处理、图像处理和信号分析，为进行定量失效分析的研究提供了依据。失效分析的经验是新产品开发规划和设计的重要依据，失效分析可以根据失效现象找出失效原因。金属材料制品的断裂失效是机械产品最主要和最复杂的失效，一般分为这几类：按照断裂机理分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、延晶断裂和疲劳断裂；按照断裂路径分为穿晶，沿晶和混晶断裂；按照断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂。断裂失效分析是从分析断口的宏观与微观特征入手，确定断裂失效模式，分析研究断口形貌特征与材料组织和性能、金属零件的受力状态以及环境条件(如温度、介质等)之间的关系，揭示断裂失效的机理、原因与规律，进而采取改进措施与预防措施。解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂，密排六方金属的解理面一般是{0001}面。准解理断裂是有类似于混合着解理断裂的小台阶、微孔和撕裂棱的断口。断口形貌是断裂失效分析的重要依据，断口形貌可以提供重要的断裂信息，断口形貌记录了机械零件断裂的全过程信息。Leica数码显微镜DVM6数码显微镜具有环形光,同轴光,透射光LED照明,最大物理像素3664*2748,便于单手操作的倾斜支架,倾斜角度范围-60°-60°,配置LAS X软件,1000万像素高分辨率摄像头,应用于电子行业,汽车制造业,工业生产线检查,产品研发,失效分析等领域。
断口宏观形貌分析是通过用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断口裂纹源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征影响。断口的微观形貌分析目前主要是通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜。透射电子显微镜是通过对断口表面复制下来的模型进行观察。扫描电子显微镜是直接观察断口，它的放大倍数可以从几十倍到几千倍的连续调节，能够连续的分析断口形貌。从断裂机理可以理解到，任何断裂过程都要包括裂纹形成，缓慢扩展至瞬间断裂等几个阶段。通过断口宏观和微观形貌分析可以看到，由于材料的化学成分不同，所承受的应力不同，上述断裂阶段在断口上留下的形貌也不同，因此在事故分析中，根据断口形貌的特征来分析断裂过程和断裂原因。
3D打印技术，是一种3D打印机在电脑控制下将三维CAD数据模型进行分层，逐层打印、累积增加形成实体的过程。依据3D打印材料和成型方式的不同，3D打印技术可分为光固化成型技术(SLA)、激光选区融化(SLM)、激光选区烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)等方式。其中光固化成型(Stereo Lithography Appearance，SLA)是使用光敏树脂作为原材料,利用液态光敏树脂在一定波长的(250nm～400nm)紫外激光束的照射下光聚合反应的特性。SLA通过特定波长与强度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，这样逐层累积叠加，打印成一个三维实体的过程。3D打印技术无需机械加工和任何模具，极大地降低了结构复杂产品的制造难度，缩短了研制周期。此外，3D打印具有实现近净成型，易加工小型零件和复杂零件，可制造个性化、定制产品。医疗上的应用---辅助诊疗：相对于超声、CT或MRI采集的二维影像或计算机模拟三维图像，3D打印的实体模型给医生提供的信息更全面，术者甚至可利用该模型进行手术模拟，从而提高手术成功率。工业上的应用：如汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。3D打印技术只需几小时或几天的时间就能将许多中小型零件从电脑设计变为符合生产质量的金属零部件，而采用传统方法则需要数天或数星期。当设计结构都满足要求时，再进行开模大批量生产。3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术。镁合金的晶体结构是密排六方结构，这种晶体结构的对称性低，轴比c/a的值为1.623，与理想的密排六方轴比c/a值1.633相互接近。镁合金的最密排面是(0001)基面，最密排方向是<11 2 0>，塑性变形困难，它的解理断裂面为{0001}晶面，受到拉伸剪切应力后，位错沿着滑移面运动，在解理面上形成初级裂纹由于各个晶粒的取向不同，当初裂纹通过晶界过渡到相互平行的晶面的相邻晶粒中的解理面上时，能量发生改变，在局部的撕裂棱上形成韧窝，顺此趋向一直扩展，直到造成试件断裂，形成具有解理台阶的河流花样。
发明内容
技术问题：为了解决现有断口分析分析技术不够直观立体的观察和分析的问题，本发明提供了一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法及其应用。
技术方案：本发明提供的一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：数据采集和存储：将显微镜结合电脑软件获取材料断口微观表面形貌的剖面线上各点的三维坐标值数据；
步骤2：坐标点逆向建模：将三维坐标值数据进行逆向坐标建模，以画出材料断口微观表面形貌的三维数据模型；
步骤3：3D打印实体模型：将三维数据模型利用3D打印机打印成材料断口微观表面形貌的实体模型；
步骤4：断口形貌分析：利用实体模型进行材料断口失效分析。
作为一种优化方案：步骤1具体操作如下：
步骤1.1：应用Leica数码显微镜DVM6,应用DVM6自带配置的LAS X软件，在环形光和同轴光协同照明下，获得材料断口微观表面形貌图片，
步骤1.2：在数码显微镜DVM6中倍镜下，采用最大物理像素，运用配置的LAS X软件在Z轴方向景深叠加，获取材料的3D断口微观表面形貌的图像；
步骤1.3：在LAS X软件的3D测量界面，将两种不同颜色的线条分别框选在测量材料断口3D形貌图的外侧，显示表面轮廓，获得材料断口3D组织形貌图；
步骤1.4：在LAS X软件的剖面线模块测量材料断口表面形貌高度差，获取断口表面形貌三维坐标点点云，获得彩色断口3D组织形貌，用不同颜色渲染显示材料断口微观表面形貌不同高度的图片；
步骤1.5：在软件上生成报表，以采集所有剖面线上点的坐标值。
作为进一步优化方案：步骤2具体操作步骤如下：
步骤2.1：罗列出坐标点，形成一系列的点云；
步骤2.2：将所述点云，根据点的排列趋势拟合出曲面；
步骤2.3：将X轴的坐标间隔设置成20，X轴的单位与Y轴Z轴的单位相同，应用逆向坐标建模的方法，将已经采集的断口微观表面形貌的坐标点云转化成三维数据模型。
作为进一步优化方案：步骤3具体操作步骤如下：
步骤3.1：选取激光选区烧结3D打印机；
步骤3.2：将建好的三维数据模型拷贝到连接3D打印机的电脑上；
步骤3.3：将三维数据模型转化成3D打印机识别的格式后设置打印参数；
步骤3.4：将设置好的三维数据模型进行分层，用3D打印机逐层累积增加打印，以形成材料断口微观表面形貌的实体模型。
作为进一步优化方案：材料为金属零件。
本发明还包括将上述任意一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法应用于材料断口的失效分析。
有益效果：本发明提供的通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法有效的弥补了应用宏观观察及电子显微镜如扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行断口表面形貌失效分析中不够全面、立体和直观的缺陷，对断口裂纹的成因进行更加有效的直观形象立体的微观组织分析，可直观的理解形成裂纹的内在原因。
附图说明
图1为本发明实施例中镁合金断口的微观表面组织形貌图；
图2为本发明实施例中镁合金断口用软件LAS X景深叠加后的微观表面形貌图；
图3为本发明实施例中镁合金断口在软件LAS X的3D测量界面里3D组织形貌图；
图4为本发明实施例中镁合金断口在LAS X的剖面线模块3D组织形貌图数据模型；
图5为本发明实施例中3D打印机打印出的镁合金断口微观表面形貌的立体模型实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明涉及一种3D打印断口微观表面形貌的立体模型在材料断裂失效分析中的应用。具体为一种通过Leica数码显微镜DVM6的LAS X软件自带的超大景深叠加功能以及3D测量高度差功能获取断口形貌表面的剖面线上点的坐标值(X，Y，Z)；应用逆向坐标建模的方法画出该材料微观断口表面形貌的三维数模，通过电脑将三维数据模型进行分层，逐层打印、累积增加形成断口微观表面形貌实物。
实施例
以镁合金拉伸件断口为例，应用本发明的方法获取镁合金拉伸件断口微观表面形貌模型：
步骤1：数据采集：
采集镁合金拉伸微观断口形貌图片：应用Leica数码显微镜DVM6,(1)开机校准：双击打开软件，并且点击“摄取”，进入观察界面。(2)白平衡：载物台上放一张白纸，鼠标右键在窗口上拖动选择一块区域，点击“白平衡”选项。(3)采集图片：光亮调节首先是“照相机”设置为标准，“灯光亮度调节”设置为环形光和同轴光协同照明下。获得如图1所示镁合金断口微观组织形貌(4)3D景深叠加：中倍镜下，采用最大物理像素1540 x 1151,选择“自定义”按钮，对焦到镁合金断口表面最上端表面清晰时，按“开始”按钮，对焦到物体下端表面清晰时按“结束”按钮，选择“系统优化”按钮，点击“开始叠加按钮，”运用数码显微镜配置的LASX软件在Z轴方向景深叠加,获取如图2所示3D镁合金的断口微观表面形貌图像；
3D测量获取剖面线上的点坐标：在上述步骤中，做完景深叠加后，点击“立方体”图标，进入3D测量界面，(1)点击“阶跃高度”按钮，(2)点击两次测量按钮，将两种不同颜色的线条分别框选在测量镁合金断口3D形貌图的外侧，勾选“在查看器中显示”，“表面轮廓”选项，“在顶部绘制”选项，可以获得一个如图3所示的镁合金断口3D组织形貌图(3)在3D测量模块下，应用剖面线模块测量镁合金断口表面形貌高度差，设置“剖面线”宽0.5，沿着镁合金断口的3D图像的一侧到对应一侧平行拉取剖面线，直到整个形貌图像表面全部被剖面线覆盖，此过程即获取了镁合金断口三维表面形貌坐标点点云，可以获得如图4彩色镁合金断口3D组织形貌所示的，用不同颜色渲染来显示镁合金断口表面微观形貌不同高度的图片；(5)在3D测量模块下，点击“生成报表”，所有剖面线上点的坐标值即采集成功；
步骤2：坐标点序列拟合重建曲面(坐标点逆向建模)：
坐标点罗列出来，形成一系列的点云，将点云，根据点的排列趋势拟合出曲面；
将X轴的坐标间隔设置成20(单位与Y,Z轴的坐标单位相同)，点越密集，图像的精度越高；
应用逆向坐标建模的方法，将上述步骤中采集的断口微观表面形貌的坐标点云转化成三维数据模型；
步骤3：3D打印实体模型：
选取激光选区烧结(SLA)打印机；
将坐标点逆向建好的三维镁合金断口微观表面形貌的数据模型拷贝到连接打印机的电脑上，将该数据模型转化成打印机能够识别的格式；
设置打印参数(见表1打印参数设置)；
将设置好打印格式的三维模型分层，逐层累积增加打印成断口微观表面形貌立体模型实物,如图5所示。
步骤4：断口形貌分析：
运用以上步骤打印的立体模型实物,如图5所示,可以直观立体的观察到该金属材料断口的微观表面形貌有平行的台阶以及由台阶汇合成的河流花样，同时有微孔和撕裂棱组成的混合断裂，这是典型的准解理断裂断口形貌。镁合金拉伸件的解理断裂面为{0001}晶面，受到拉伸剪切应力后，位错沿着滑移面运动，在解理面上形成初级裂纹，由于变形镁合金各个晶粒的晶体取向不同，当初裂纹穿过晶界到达相邻的相互平行晶面的晶粒中的解理面时，断裂的能量发生改变，在解理面局部的撕裂棱上形成微孔，微孔型断裂是一种由塑性变形引起的断裂，镁合金在室温下拉伸发生塑性变形时，启动沿着基面{0001}面滑移方向为<1120>滑移系，因为室温下只有基面滑移系的临界剪切应力最小。裂纹顺此趋向一直扩展，直到造成镁合金拉伸件断裂，形成具有解理台阶的河流花样，同时有少量微孔。
表1：步骤3中具体打印参数设置
本发明中应用一种3D打印断口微观表面形貌的立体模型，有效的解决了现有的断口分析分析技术中不够直观立体的观察和分析的问题。宏观断口形貌分析还不能完全明确断裂的微观机制及其他细节；扫描电子显微镜分析断口形貌时，分辨率低，成像质量不好，大型断口的分析需要切成很多小块来进行观察；透射电子显微镜在分析断口形貌时，还需要先制备复形，分析时容易产生假象，而且它的放大倍数太高，不适合用作低倍观察。
而本发明通过3D打印结合Leica的DVM6立体显微镜解决了这一问题。本发明有效的弥补了应用宏观观察及电子显微镜如扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行断口表面形貌失效分析中不够全面、立体和直观的缺陷，对断口裂纹的成因进行更加有效的直观形象立体的微观组织分析，可直观的理解形成裂纹的内在原因，在作为断口裂纹鉴别的客观依据中也有特殊应用。利用该发明可以立体、直观、形象的辅助分析微观断口形貌分析。有效的进行金属构件引起断裂失效的原因分析，结合其他失效分析手段，可以更加直观和全面的判断是环境因素，介质，加载速度或者结合其他方式来进一步判断是否为材料的晶体结构，第二相粒子，化学成分，显微组织还是应力大小等导致的材料断裂失效。利用模型获得立体直观形象的辅助分析微观断口失效的方法来确定断裂的宏观性质是属于塑性断裂还是脆性断裂或者是疲劳断裂，还是塑性断裂和脆性断裂混合的断裂机制，确定断口的宏观形貌是纤维状断口还是结晶状断口，有没有剪切唇，确定断口的形成过程，裂纹是从何处产生的，断裂过程和断裂应力之间的关系(正应力和切应力)，确定断裂的微观机制是属于解理断裂，准解理断裂还是微孔型断裂是沿着晶体断裂还是穿晶断裂，确定断口的形成过程是沿着拉伸方向，裂纹是从拉伸时候的应力集中处出开始产生的。通过本发明的断口分析方法，可以为预防断裂的发生提供可靠的分析依据。断口分析判断断裂的性质，分析断裂的机理，为进一步的断口失效分析提供分析的基础，通过该失效分析，找出造成机械设备或者金属零部件失效的原因，从而提出相应的有效措施以及后续的改进措施，提高产品的质量和可靠性，可防止重大事故的发生，减少损失。
利用断口微观组织形貌观察的设备比如扫描电镜，原子力显微镜等采集坐标点数据，逆向建立或者直接获取断口表面微观组织形貌的3D数模，进行3D打印成实体模型进行金属材料失效分析的方案，都是本发明的替代方案。
Claims (6)
1.一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：数据采集和存储
将显微镜结合电脑软件获取材料断口微观表面形貌的剖面线上各点的三维坐标值数据；
步骤2：坐标点逆向建模
将三维坐标值数据进行逆向坐标建模，以画出材料断口微观表面形貌的三维数据模型；
步骤3：3D打印实体模型
将三维数据模型利用3D打印机打印成材料断口微观表面形貌的实体模型；
步骤4：断口形貌分析
利用实体模型进行材料断口失效分析。
2.根据权利要求1所述的一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：所述步骤1具体操作如下：
步骤1.1：应用Leica数码显微镜DVM6,应用DVM6自带配置的LAS X软件，在环形光和同轴光协同照明下，获得材料断口微观表面形貌图片，
步骤1.2：在数码显微镜DVM6中倍镜下，采用最大物理像素，运用配置的LAS X软件在Z轴方向景深叠加，获取材料的3D断口微观表面形貌的图像；
步骤1.3：在LAS X软件的3D测量界面，将两种不同颜色的线条分别框选在测量材料断口3D形貌图的外侧，显示表面轮廓，获得材料断口3D组织形貌图；
步骤1.4：在LAS X软件的剖面线模块测量材料断口表面形貌高度差，获取断口表面形貌三维坐标点点云，获得彩色断口3D组织形貌，用不同颜色渲染显示材料断口微观表面形貌不同高度的图片；
步骤1.5：在软件上生成报表，以采集所有剖面线上点的坐标值。
3.根据权利要求1所述的一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：所述步骤2具体操作步骤如下：
步骤2.1：罗列出坐标点，形成一系列的点云；
步骤2.2：将所述点云，根据点的排列趋势拟合出曲面；
步骤2.3：将X轴的坐标间隔设置成20，X轴的单位与Y轴Z轴的单位相同，应用逆向坐标建模的方法，将已经采集的断口微观表面形貌的坐标点云转化成三维数据模型。
4.根据权利要求1所述的一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：所述步骤3具体操作步骤如下：
步骤3.1：选取激光选区烧结3D打印机；
步骤3.2：将建好的三维数据模型拷贝到连接3D打印机的电脑上；
步骤3.3：将三维数据模型转化成3D打印机识别的格式后设置打印参数；
步骤3.4：将设置好的三维数据模型进行分层，用3D打印机逐层累积增加打印，以形成材料断口微观表面形貌的实体模型。
5.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的一种通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法，其特征在于：所述材料为金属零件。
6.将上述任意一种权利要求所述的通过3D打印技术分析断口微观表面形貌的方法应用于材料断口的失效分析。
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