基于微焦點(diǎn)CT的三維裂紋擴(kuò)展分析

敖 波，陳復(fù)興，鄧翠貞，曾亞斌

(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，江西 南昌 330063)

航空材料在服役過程中易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞破壞，疲勞破壞的本質(zhì)是疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，疲勞裂紋信息是裂紋擴(kuò)展分析的前提，裂紋信息主要有尺寸、位置、分布和結(jié)構(gòu)等。由于射線CT具有層析成像和三維重構(gòu)功能，能無損地反映裂紋的尺寸、位置和結(jié)構(gòu)分布等，一直是國外進(jìn)行疲勞裂紋相關(guān)研究的重要手段[1]。

研究人員借助于高分辨率的微焦點(diǎn)CT和同步輻射CT設(shè)備，在航空材料的疲勞裂紋擴(kuò)展成像研究方面進(jìn)行了大量實驗研究。代表性的工作有Ferrié等[2]利用歐洲同步輻射光源的ID19對室溫下AS7G03鑄鋁合金中疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展階段進(jìn)行了可視化分析。Khor等[3]利用三維可視化直觀顯示了裂紋，并揭示了裂紋體的存在。Qian等[4]利用同步輻射顯微CT得到了Al-Si-Mg合金位移控制下不同位置的裂紋切片圖像和同一位置下不同位移的切片圖像，從圖像上顯示了裂紋前沿的微裂紋大小和分布。Zhang等[5]采用日本第三代同步輻射裝置Spring-8中的同步輻射顯微CT得到了Al-Mg-Si合金在相同載荷作用下每隔3萬疲勞周次的裂紋體投影局部裂紋前沿形態(tài)和12萬疲勞周次不同載荷作用下的裂紋體投影局部裂紋前沿形態(tài)。Toda等[6]對鋁合金在載荷作用下不同張開位移時的裂紋和粒子分布進(jìn)行了可視化顯示。Morgeneyer等[7]基于同步輻射的薄板層析成像方法研究了鋁板在不同裂紋尖端張開位移時前沿孔洞處短裂紋萌生，并與加工缺口連接成小裂紋的過程。Williams等[8]利用美國APS的同步輻射顯微CT在線重構(gòu)了7075-T6鋁合金不同疲勞周次的三維裂紋，通過三維可視化得到了不同疲勞周次下疲勞裂紋三維擴(kuò)展增量圖形，但不同疲勞周次下的裂紋必然存在不同的應(yīng)變量，難以實現(xiàn)裂紋擴(kuò)展路徑的完全重合。由于國內(nèi)同步輻射CT數(shù)量少、設(shè)備昂貴，檢測成本高，而焦點(diǎn)為幾百μm甚至幾μm的CT設(shè)備普及率高，且能重建出質(zhì)量較高的CT圖像[9-10]，檢測成本相對低得多，適用于裂紋分析。中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所的微焦點(diǎn)CT系統(tǒng)，分辨能力可達(dá)μm級；中國科學(xué)院高能物理研究所的MicroCT系統(tǒng)和微米CT系統(tǒng)，分辨能力可達(dá)到μm級。通過采用微焦點(diǎn)X射線源和高性能平板探測器，可進(jìn)行疲勞裂紋的高分辨率CT成像分析。

本文采用掃描電鏡對表面裂紋擴(kuò)展進(jìn)行分析，通過微焦點(diǎn)CT重建不同擴(kuò)展階段的裂紋特征，對相鄰兩個階段的裂紋CT圖像進(jìn)行對比，分析裂紋擴(kuò)展的行為和特征。

1 三點(diǎn)彎曲試驗與表面裂紋擴(kuò)展分析

三點(diǎn)彎曲疲勞試驗時，試驗機(jī)型為QBG-100高頻疲勞試驗機(jī)，試驗材料為2A50鍛鋁板材，試驗在室溫環(huán)境下進(jìn)行。三點(diǎn)彎曲試樣設(shè)計參考《GB/T 232—1999 金屬材料彎曲試驗方法》，試樣尺寸為10 mm×10 mm×60 mm，采用線切割預(yù)制缺口，預(yù)制缺口尺寸為10 mm×1 mm×0.5 mm，三點(diǎn)彎曲試驗分若干階段進(jìn)行，各階段的加載條件列于表1。

表1 三點(diǎn)彎曲試驗的加載條件

a——第1階段；b——第2階段

三點(diǎn)彎曲試驗過程中每階段實驗結(jié)束、疲勞試驗機(jī)停機(jī)、卸樣、進(jìn)行掃描電鏡分析和微焦點(diǎn)CT掃描重建時，通過日立SU1510掃描電子顯微鏡觀察線切割缺口附近的表面裂紋。第0階段結(jié)束后，由于只進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)表面裂紋很小，考慮到CT可能無法重建出裂紋，按后續(xù)加載條件重新裝樣、加載。圖1為試樣第1階段和第2階段對應(yīng)的SEM分析結(jié)果。從圖1a可看出，表面裂紋長度約為2.12 mm，缺口附近裂紋寬度約為20 μm。從圖1b可看出，表面裂紋長度約為2.691 mm，缺口附近裂紋寬度約為22 μm。為便于對比，在圖1a和b中分別選定同一位置作為參考位置，與第1階段的表面裂紋相比，第2階段的表面裂紋約向前擴(kuò)展了500 μm。

2 微焦點(diǎn)CT三維重建與可視化

對三點(diǎn)彎曲試驗不同裂紋擴(kuò)展階段的試樣進(jìn)行微焦點(diǎn)CT掃描實驗，CT掃描設(shè)備采用中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所的YXLON FEINFOCUS Cougar SMT X-ray檢測系統(tǒng)，CT掃描與重建的實驗參數(shù)為：焦點(diǎn)尺寸，400 μm；管電壓，110 kV；管電流，800 μA；射線源到樣品旋轉(zhuǎn)中心距離，50 mm；樣品旋轉(zhuǎn)中心到探測器距離，1 124 mm；投影數(shù)量，400幅/360°；重建圖像矩陣，1 024×1 024(預(yù)處理后)；重建方向，z軸方向。

a——微焦點(diǎn)CT掃描示意圖；b——x軸向第603層圖像

圖2a為微焦點(diǎn)CT掃描示意圖，由于第0階段三點(diǎn)彎曲試驗后的試樣金相分析得到裂紋很小，未進(jìn)行CT檢測，故只對第1階段和第2階段的試樣進(jìn)行微焦點(diǎn)CT掃描與重建。CT重建結(jié)果與表面裂紋分析相比，主要在于能反映內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展情況。圖2b為試樣第2階段的微焦點(diǎn)CT重建結(jié)果沿x軸方向第603層切片圖像(圖像像素點(diǎn)陣大小為1 024×512)。從圖2可看出，當(dāng)前位置的裂紋是彎曲向前擴(kuò)展的，擴(kuò)展路徑復(fù)雜，這種復(fù)雜性反映了顯微組織結(jié)構(gòu)對裂紋擴(kuò)展的影響。由于沿x軸方向或y軸方向的切片圖像中含有裂紋的圖像高達(dá)1 000幅，難以對裂紋的整體情況進(jìn)行全面分析，而沿z軸方向僅約30層切片圖像出現(xiàn)裂紋。若沿z軸方向分析裂紋，工作量要小得多。為此，主要沿z軸方向進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析。

圖3為第2階段的裂紋進(jìn)行微焦點(diǎn)CT重建后采用VGStudio Max軟件對裂紋部分特征提取后三維可視化的結(jié)果。圖3直觀顯示了裂紋的尺寸、三維形態(tài)特征和表面形貌，從圖也可看出，中間部位的裂紋擴(kuò)展長度要大于兩端部位。

3 疲勞裂紋擴(kuò)展分析

3.1 裂紋擴(kuò)展二維CT圖像對比

針對疲勞裂紋擴(kuò)展第1階段和第2階段的微焦點(diǎn)CT重建結(jié)果，選取每階段對應(yīng)xy平面的切片圖像進(jìn)行對比。前后兩個階段的試樣CT掃描時的位置差異(由于卸樣、重新裝樣，很難做到完全一致)造成目標(biāo)在前后兩個階段的切片圖像中的位置不同，為易于后續(xù)對比分析，首先通過圖像配準(zhǔn)等操作對前后兩個階段的CT圖像進(jìn)行對準(zhǔn)，配準(zhǔn)后的圖像大小為1 024×1 024。由于裂紋擴(kuò)展過程必然造成一定的變形，前后兩個階段很難得到位置完全一致的CT圖像。為此，分別從兩個階段的切片圖像序列中選取裂紋擴(kuò)展損傷最嚴(yán)重的切片圖像進(jìn)行對比，同時選擇無裂紋的切片圖像作為參考圖像(圖4a)，從圖可看出，試樣內(nèi)部存在固有缺陷，選取該固有缺陷位置作為裂紋擴(kuò)展前沿的參考位置。圖4b為裂紋擴(kuò)展第1階段損傷最嚴(yán)重的切片圖像，與圖4a相比，圖中黑度較小的陰影區(qū)域為裂紋位置，陰影出現(xiàn)的原因在于裂紋具有一定的開口寬度，導(dǎo)致該部位對應(yīng)的體素部分或全部被空氣填充，空氣占有比例越多，該體素對應(yīng)的灰度值越小，陰影分散的原因在于裂紋彎曲向前擴(kuò)展。從圖4b可看出，裂紋擴(kuò)展前沿位置基本到達(dá)參考位置。圖4c為裂紋擴(kuò)展第2階段損傷最嚴(yán)重的切片圖像，從圖可看出，裂紋擴(kuò)展前沿位置已超過參考位置，與圖4b相比，內(nèi)部裂紋向前擴(kuò)展了一定長度。另外，圖4c中陰影位置的圖像灰度較圖4b的小，表明該位置的裂紋開口寬度加大，單個體素內(nèi)空隙占有比例增加，線衰減系數(shù)減小。

從圖4b或c陰影區(qū)域可看出，該切片位置的裂紋擴(kuò)展呈二維不均勻分布，表明不同位置的裂紋擴(kuò)展速率不同。

3.2 三維裂紋體擴(kuò)展投影

由于二維切片圖像難以反映三維裂紋全貌，如何從三維圖像分析裂紋擴(kuò)展的主要特征特別重要。由于不同層切片(z軸方向)位置的裂紋擴(kuò)展速率不同，即使同一層切片的裂紋擴(kuò)展速率也有很大的差異，因此，裂紋擴(kuò)展過程具有典型的三維分布特征，但從z軸方向看裂紋體，裂紋體又呈現(xiàn)二維分布特征。因此，采用文獻(xiàn)[10]中提出的裂紋體向參考平面投影的方法，從第1階段和第2階段的CT重建結(jié)果分別提取出三維裂紋體(裂紋提取的精度受高分辨率重建噪聲的影響)，將三維裂紋體投影到xy平面得到投影圖像。圖5a、b分別為第1、2階段的裂紋體投影后的結(jié)果，投影結(jié)果可描述三維裂紋的擴(kuò)展特征。將圖5a、b與整個擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行邏輯運(yùn)算，可得到圖5c所示的邏輯運(yùn)算結(jié)果，圖中顯示出了裂紋擴(kuò)展第2階段相比第1階段多擴(kuò)展的部分。

裂紋體投影圖像的另一作用是可得到當(dāng)前階段的裂紋擴(kuò)展前沿分布曲線。圖6為對圖5a、b進(jìn)行區(qū)域生長和輪廓提取后得到的裂紋擴(kuò)展前沿分布。若能得到每個階段的裂紋擴(kuò)展前沿分布曲線，則相鄰兩個裂紋擴(kuò)展前沿分布曲線之間的區(qū)域就可表示一定加載條件下新的裂紋擴(kuò)展長度增量。

裂紋體投影圖像受裂紋提取精度的影響，而裂紋提取結(jié)果受CT系統(tǒng)密度分辨率和高分辨率重建噪聲的影響，高分辨率重建噪聲在微焦點(diǎn)CT重建中不可避免，裂紋擴(kuò)展尖端處的裂紋提取精度有待改進(jìn)。

3.3 裂紋前沿三維擴(kuò)展增量

由于裂紋呈三維分布特征，從理論上說，相鄰兩個擴(kuò)展階段的裂紋擴(kuò)展增量也呈三維分布。但由于相鄰兩個階段的重建結(jié)果難以對準(zhǔn)同一位置，無法采用一般三維處理方法表征裂紋擴(kuò)展增量分布。

從裂紋三維可視化結(jié)果看，裂紋擴(kuò)展最前沿位置是最關(guān)注的內(nèi)容之一。結(jié)合圖6中第1階段的裂紋前沿位置對圖3中第2階段的裂紋體進(jìn)行截斷，得到的結(jié)果示于圖7，圖中A所指的部分近似表示第1階段的裂紋體和前沿，B所指的部分表示相鄰兩個階段的裂紋前沿三維擴(kuò)展增量分布。

a——第1階段投影；b——第2階段投影；c——邏輯運(yùn)算結(jié)果

圖6 裂紋擴(kuò)展前沿分布

圖7 裂紋前沿擴(kuò)展增量分布

4 結(jié)論

1) 本文進(jìn)行了2A50鍛鋁缺口試樣三點(diǎn)彎曲疲勞試驗，采用微焦點(diǎn)CT對相鄰兩個階段的裂紋進(jìn)行了三維重建，得到了兩個階段對應(yīng)的裂紋重建圖像。

2) 沿重建方向(xy平面)對不同裂紋擴(kuò)展階段損傷最嚴(yán)重的CT圖像進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明后一階段的裂紋擴(kuò)展前沿位置更靠前，裂紋擴(kuò)展分布不平衡。

3) 通過裂紋體投影結(jié)果表征三維裂紋擴(kuò)展，對比相鄰兩個階段的裂紋體投影圖像可得到新的裂紋擴(kuò)展區(qū)域，對裂紋體投影圖像進(jìn)行圖像處理后得到了兩個階段的裂紋擴(kuò)展前沿分布曲線。通過相鄰兩個階段的裂紋體對比，得到了裂紋前沿擴(kuò)展三維增量分布。

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