CN114419245A - 材料内部缺陷部位的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料内部缺陷部位的建模方法，利用CT扫描得到铸件内部的CT扫描图，使用图像处理软件得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。所建模型能最大程度接近材料真实的内部结构组成，性能仿真结果更切合实际，根据该模型能够准确预测含内部缺陷材料的力学性能，为设计和评估铸件的性能提供更准确的依据。
Description
技术领域
本发明属于材料缺陷分析技术领域，涉及一种材料内部缺陷部位的建模方法。
背景技术
铸造过程中由于孔洞类缺陷会使铸件质量低劣、服役性能减小以及导致铸件的疲劳破坏。因此研究孔洞类缺陷对铸件使用性能所造成的影响是十分必要的。在孔洞类缺陷铸件的实际应用中，由于传统铸造的解决方法是在铸造领域中力求通过改进方案或优化工艺来把铸件的缺陷降到最低，而在结构分析领域中经常是根本没有或很少考虑铸件的缺陷的存在，导致分析的结果与实际具有缺陷铸件的分析结果具有很大的区别。设计和评估铸造部件抵抗破坏能力的主要问题是其材料力学性能的多变性。由于铸造工艺及部件几何尺寸和形状等原因，部件中微结构、孔洞率及孔洞形态的区域差别很大，从而导致部件局部力学性能有很大的分散性。铸件中的微观结构和微缺陷的形成不是确定的而是一种随机过程。同时，材料的力学行为与其应力状态密切相关。
增加设计和评估铸件的安全性和生产工艺的优化需要考虑各种缺陷尤其是孔洞对铸件材料力学行为及断裂的影响，铸件生产、服役能力、工艺优化需考虑各种缺陷尤其是孔洞的影响。孔洞形态对材料力学性能的影响通过进行大范围的应力状态，如拉伸、剪切、压缩及双轴试验来描述。缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属或合金的补缩形成分散和细小的缩孔。含宏观缩松缺陷的铸件一般作为废料处理，但是大型铸件内部的缩松缺陷多是经过粗加工之后才发现，如果将这些缩松缺陷的结构件装备到大型设备上，此时含缩松缺陷的铸件结构能否可靠地运行是不确定。因此，需要准确预测含内部缺陷材料的力学性能，展开对缩松缺陷的失效分析工作，以判断其是否可用及可用时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种材料内部缺陷部位的建模方法，能够准确预测含内部缺陷材料的力学性能。
本发明所采用的技术方案是，一种材料内部缺陷部位的建模方法，利用CT扫描得到铸件内部的CT扫描图，使用图像处理软件得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。
具体包括以下步骤：
步骤1，将内部含有缺陷的铸件经过CT扫描试验得到铸件内部CT扫描图；
步骤2，通过图像处理软件得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，灰度值为0，在CT扫描图中反映为黑，灰度值为255，在CT扫描图中反映为白；
步骤3，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值；
步骤4，将铸件三维模型中各个点上灰度值划分为十个区间，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。
步骤1中，将内部含有缺陷的铸件经过工业CT逐层进行扫描，得到多张含铸件内部缺陷形貌特征和分布信息的CT扫描图。
步骤2中，图像处理软件为Image J。
步骤3中的铸件三维模型是在三维绘图软件中根据铸件外部结构和尺寸特征绘制而成。
本发明的有益效果是，所建模型能最大程度接近材料真实的内部结构组成，性能仿真结果更切合实际，根据该模型能够准确预测含内部缺陷材料的力学性能，展开对其内部缩松缺陷的失效分析工作，以判断其是否可用及可用时间，为设计和评估铸件的性能提供更准确的依据；使用领域广泛，不同材料，只要适用于CT扫描实验，可以得到CT扫描图，均可以通过本发明方法获取材料内部真实结构组成，从而实现对其内部力学性能的准确分析。
附图说明
图1是本发明一种材料内部缺陷部位的建模方法的流程示意图；
图2是本发明一种材料内部缺陷部位的建模方法中CT扫描图与铸件三维模型坐标对应关系图；
图3是本发明一种材料内部缺陷部位的建模方法中材料灰度值与相对密度的对应关系图；
图4是本发明实施例中平板拉伸试样的尺寸图；
图5是本发明实施例中平板拉伸试样的一张原始CT断层扫描图；
图6是本发明实施例中平板拉伸试样的一张放大后的CT断层扫描图；
图7是与图6相对应的模型中对应位置剖面图；
图8是本发明实施例中平板拉伸试样的另一张放大后的CT断层扫描图；
图9是与图8相对应的模型中对应位置剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种材料内部缺陷部位的建模方法，参照图1，具体包括以下步骤：
步骤1，将内部含有缺陷的铸件经过工业CT逐层进行扫描，得到多张含铸件内部缺陷形貌特征和分布信息的CT扫描图；
步骤2，通过图像处理软件Image J得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，灰度值为0，在CT扫描图中反映为黑，灰度值为255，在CT扫描图中反映为白；
步骤3，参照图2，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值，即将铸件三维模型作切片处理，使各层与CT扫描图一一对应，然后将各层进行X-Y平面坐标划分，使铸件三维模型中各层上各点坐标与相应CT扫描图中各点坐标一一对应起来，若坐标对应，则输出该点的灰度值和相对密度，若不对应，继续寻找对应点；铸件三维模型是在三维绘图软件中根据铸件外部结构和尺寸特征绘制而成。
步骤4，参照图3，将铸件三维模型中各个点上灰度值划分为十个区间，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。
实施例1：
QT500-7内部缺陷部位的建模方法，包括以下步骤：
步骤1：对QT500-7含缺陷试验件进行X射线扫描来确定其内部缩松的分布及区域，然后在含缺陷区域取样，按照图4尺寸制备平板拉伸试样，试样总长度为180mm，总高度为18mm，宽度为5mm；
步骤2，对制备的平板拉伸试样进行工业CT逐层扫描，得到多张含铸件内部缺陷形貌特征和分布信息的CT扫描图，如图5所示；
步骤3，通过图像处理软件Image J得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，灰度值为0，在CT扫描图中反映为黑，灰度值为255，在CT扫描图中反映为白；
步骤4，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值；铸件三维模型是在三维绘图软件中根据铸件外部结构和尺寸特征绘制而成；
步骤5，将铸件三维模型中各个点上灰度值划分为十个区间，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型，如图6-9所示，从图中可以看出所建模型中试样缺陷与CT图的缺陷分布较为一致，通过该模型能够更准确的分析出带内部缺陷材料的力学性能。
Claims (5)
1.一种材料内部缺陷部位的建模方法，其特征在于，利用CT扫描得到铸件内部的CT扫描图，使用图像处理软件得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种材料内部缺陷部位的建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，将内部含有缺陷的铸件经过CT扫描试验得到铸件内部CT扫描图；
步骤2，通过图像处理软件得到每一张CT扫描图中各个点的灰度值，灰度值为0，在CT扫描图中反映为黑，灰度值为255，在CT扫描图中反映为白；
步骤3，将CT扫描图中各点与铸件三维模型上各点一一对应起来，将CT扫描图上各点的灰度值对应给铸件三维模型上的点，得到模型中不同位置点的灰度值；
步骤4，将铸件三维模型中各个点上灰度值划分为十个区间，将不同的材料相对密度与不同的灰度值对应起来，得到铸件不同位置各个点的相对密度，通过不同的材料相对密度来反映材料内部缺陷的形貌特征，即建成含材料内部缺陷的三维模型。
3.根据权利要求2所述的一种材料内部缺陷部位的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，将内部含有缺陷的铸件经过工业CT逐层进行扫描，得到多张含铸件内部缺陷形貌特征和分布信息的CT扫描图。
4.根据权利要求2所述的一种材料内部缺陷部位的建模方法，其特征在于，所述步骤2中，图像处理软件为Image J。
5.根据权利要求2所述的一种材料内部缺陷部位的建模方法，其特征在于，所述步骤3中的铸件三维模型是在三维绘图软件中根据铸件外部结构和尺寸特征绘制而成。
Priority Applications (1)
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| CN202111494590.4A Pending CN114419245A (zh) | 2021-12-08 | 2021-12-08 | 材料内部缺陷部位的建模方法 |
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2021
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