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

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】
[0001]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】
[0002]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，一直是疲劳研宄领域的重要研宄内容。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。
[0003]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。
[0004]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 applicat1nof synchrotron radiat1n microtomography，，，E.Ferrie 等在 2005 年第 27 卷第 10-12期 Internat1nal Journal of Fatigue 的“3D characterisat1n of the nucleat1nof a short fatigue crack at a pore in a cast Al alloy using high resolut1nsynchrotron microtomography，，，L.Qian 在 2008 年第 483-484 卷第 15 期 MaterialsScience & Engineering A 的“Three-dimens1nal visualizat1n of ductile fracturein an Al-Si alloy by high resolut1n synchrotron X-ray microtomography”，H.Zhang等在 2009 年第 57 卷第 11 期 Acta Materialia 的 “Three-dimens1nal fatigue crackgrowth behav1r in an aluminum alloy investigated with in situ high—resolut1nsynchrotron X-ray microtomography，，，H.Toda 等在 2011 年第 59 卷第 5 期 ActaMaterialia 的 “In situ observat1n of ductile fracture using X-ray tomographytechnique”，J.Y.Buffiere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-S1-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，但限于岩土力学研宄，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】

[0005]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。
[0006]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。
[0007](I)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60mmX宽5mmX高5mm，V型缺口加工在中间部位，V型缺口尺寸为长5mmX宽ImmX深0.5mm。
[0008](2) CT扫描定位装置包括直径40mm的圆盘、直径20mm的圆盘和平底方孔，其中直径20mm的圆盘连接在直径40mm的圆盘下方，平底方孔加工在直径40mm圆盘的上表面中心位置，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。
[0009](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。
[0010](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。
[0011](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I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。
[0012]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: