Характеристика внутренних усталостных трещин в алюминиевых сплавах методом фазово-контрастной томографии

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 5981 (2022) Цитировать эту статью

1008 доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 18 января 2023 г.

Эта статья обновлена

Компьютерная томография с синхротронным излучением (SRCT) позволяет лучше обнаруживать усталостные трещины в металлах, чем лабораторная КТ, благодаря наличию фазового контраста. Однако наличие на реконструированных изображениях полос по краям объектов, генерируемых дифракцией Френеля, затрудняет количественную идентификацию и анализ трещин. Моделирование изображений фазово-контрастной синхротронной томографии, содержащих трещины разных размеров и форм, получено с помощью программного обеспечения GATE. Анализируя результаты моделирования, во-первых, мы подтвердили, что яркие части с сильным контрастом на изображении SRCT представляют собой полосовые артефакты; во-вторых, мы обнаружили, что значения шкалы серого внутри трещин на изображениях SRCT связаны с размером трещины; Эти результаты моделирования используются для анализа SRCT-изображений внутренних усталостных трещин в литом алюминиевом сплаве, обеспечивая более четкую визуализацию повреждений.

Компьютерная томография (КТ) — эффективная технология неразрушающего контроля для наблюдения внутренних особенностей (трещин, дефектов, включений и т. д.) в непрозрачных материалах. Для характеристики повреждений внутри металлов широко используются два основных режима томографии: КТ затухания и КТ фазового контраста. У стандартных промышленных источников размер фокусного пятна обычно слишком велик, а энергетический спектр рентгеновских лучей слишком широк, чтобы можно было увидеть эффекты интерференции рентгеновских лучей, поэтому возможна только КТ с ослаблением. С другой стороны, при использовании нанофокусных лабораторных источников или установок синхротронного излучения рентгеновский луч гораздо более когерентен, что позволяет детектору более эффективно регистрировать информацию о фазовом изменении рентгеновских лучей, и фазовый контраст по умолчанию наблюдаем. Для изучения распространения усталостных трещин в металлах используется дифракция рентгеновских лучей Френеля для улучшения видимости краев и границ внутри объекта1. Наиболее распространенными типами фазово-контрастной КТ являются КТ на основе распространения сигнала, анализатора или решетки2. Раскрытие усталостных трещин в металлах на вершине трещины находится в микрометровом диапазоне, что приводит к очень низкому контрасту, поэтому компьютерная томография с синхротронным излучением (SRCT) имеет решающее значение для наблюдения субвоксельных особенностей благодаря фазовому контрасту3.

Однако по сравнению со стандартной томографией затухания, для которой значение шкалы серого реконструированного изображения пропорционально линейному коэффициенту затухания материала, фазово-контрастная томография приводит к увеличению сложности изображения: фазовый контраст обычно создает полосы по краям объектов. на реконструированных изображениях3,4; кроме того, генерируются полосовые артефакты5. Эта сложность затрудняет точное определение трещин на реконструированном изображении и его количественный анализ6. Некоторые методы реконструкции позволяют восстановить фазу в фазово-контрастной томографии на одном расстоянии: метод Паганина7 или метод Мусмана8 (названный в честь 1\(^{st}\) автора соответствующей статьи). Фазово-контрастная томография на основе распространения на одном расстоянии широко предпочтительна для экономии времени во время экспериментов на месте9. Однако при СРКТ-реконструкции усталостных трещин в металле метод Паганина вызывает размытие краев трещин; в то же время метод Мусмана требует больших расстояний от объекта до детектора (обычно несколько метров для металлов), которые нелегко получить во всех лучах. Поэтому в исследованиях, сообщающих о трехмерных изображениях трещин, опубликованных до сих пор, используется классический метод реконструкции с обратной проекцией с фильтром (FBP) без восстановления фазы, как, например, в алюминиевых сплавах10,11; в титановых сплавах12,13; в чугуне14; в сплаве Mg15. Смоделированные изображения в этой статье получены с использованием метода FBP.

На рис. 1 показано типичное реконструированное изображение внутренней усталостной трещины внутри литого образца алюминиевого сплава. Это изображение было получено на SOLEIL (линия луча PSICHE) с энергией 29 кэВ, расстоянием образец-детектор 15 см и размером воксела 1,3 \(\upmu\)m. Поскольку внутренние усталостные трещины растут без контакта с окружающим воздухом, поверхности трещин соответствуют кристаллографической плоскости скольжения (в данном конкретном случае \(\{1 1 1\}\), часто наклоненной относительно оси растяжения/образца16,17. . Темные детали на этом изображении соответствуют вокселам с почти нулевым затуханием, т.е. принадлежащим трещине. Однако многие яркие детали с сильным контрастом также отображаются на срезах в виде белых линий. На вертикальных срезах (ось вращения/растяжения вертикальны) эти белые линии параллельны темным линиям, соответствующим вокселам, принадлежащим трещинам (рис. 1а); на горизонтальных срезах белые линии имеют тенденцию появляться на концах темных линий (рис. 1б). Трудно однозначно интерпретировать эти белые черты. Это могут быть плоские внутренние трещины с небольшим отверстием, но они также могут представлять собой полосчатые артефакты. Если они соответствуют трещинам, то, очевидно, необходим критерий, позволяющий решить, когда трещина кажется темной, а когда — яркой. Если это артефакты, нужно знать, как они связаны с трещинами. Для решения этих проблем в первую очередь необходим подход моделирования.