[发明专利]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

说明书

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 of synchrotron 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 a short fatigue crack at a pore in a cast Al alloy using high resolution synchrotron microtomography”，L.Qian在2008年第483-484卷第15期Materials Science&Engineering A的“Three-dimensional visualization of ductile fracture in 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 fatigue crack 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Acta Materialia的“In situ observation of ductile fracture using X-ray tomography technique”，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。