基于CT扫描的2A12铝合金疲劳裂纹三维重建方法研究

doi:10.3901/JME.2015.24.063

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (24): 63-68.doi: 10.3901/JME.2015.24.063

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基于CT扫描的2A12铝合金疲劳裂纹三维重建方法研究

王璐, 李鹏志, 王正, 王蕊

大连理工大学能源与动力学院大连 116023

收稿日期:2015-01-07 修回日期:2015-04-21 出版日期:2015-12-15 发布日期:2015-12-15
通讯作者: 王正，男，1960年出生，教授。主要研究方向为设备与结构强度、安全性评价及寿命预测。 E-mail：zhengw@dlut.edu.cn
作者简介:王璐，女，1980年出生。主要研究方向为材料与结构疲劳强度。 E-mail：wanglu@ dlut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51541108)、辽宁省教育厅科学研究一般(L2014028)和中央高校基本科研业务费专项资金(2342013 DUT13RC(3)052)资助项目。

Three-dimensional Reconstruction Method Study of 2A12 Aluminum Alloy Fatigue Crack Based on Computed Tomography

WANG Lu, LI Pengzhi, WANG Zheng, WANG Rui

School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023

Received:2015-01-07 Revised:2015-04-21 Online:2015-12-15 Published:2015-12-15

摘要/Abstract

摘要： 对中心处含圆形缺口的2A12铝合金圆柱形试样进行复杂应力状态下的低周疲劳试验，总结出材料裂纹萌生及扩展机制。试验结果表明，复杂应力条件下2A12铝合金材料只有在疲劳循环较大时，由于第二相粒子与基体脱粘形成疲劳短裂纹。裂纹扩展过程中，沿着晶粒某一滑移系统滑动并且形成锯齿形状的晶体学裂纹路径。为了获得准确的裂纹三维形态及尺寸信息，采用计算机断层扫描(Computed tomography, CT)技术对试验件进行扫描，并对其断层图像进行对比度增强、离群滤噪等图像处理。从图像处理效果来看，离群滤噪方法对于试件结构较为简单，而内部裂纹信息分布相对连续的断层图像处理效果较为理想，且可通过调整其滤噪半径来获得更为清晰的裂纹图像。采用Matlab软件对处理后的断层图像进行三维重建，获得了裂纹的三维可视化图像及其尺寸信息，与裂纹实际情况吻合良好。

关键词: 复杂应力, 计算机断层扫描(Computed tomography, CT), 离群滤噪, 疲劳裂纹, 三维重建

Abstract: The fatigue test about a 2A12 Al alloy bar with an annular notch under complex stress state gave the mechanism of the crack initiation and propagation of the material. And the result shows that the short crack only generated with the second-phase particle detachment from the matrix under complex stress condition when the fatigue cycle is sufficient. The crack slid along the slip band of the grains and presented as a zigzag path of crystallography crack. Industrial computed tomography technique is used to get more useful three dimensional information about the shape and size of the crack. Then the tomographic image is handled with image processing like contrast enhancement and outliers remove. From the perspective of image processing effect, outliers remove is a relatively ideal handling method for specimens with simple structure and continuous crack information. Adjustment of denoising radius could obtain more clearly crack sections. The processed image is reconstructed for three dimensional with the software of Matlab, and the 3D visualization of the crack agrees well with the real crack size.

Key words: 3D reconstruction；outliers remove, complex stress, computed tomography(CT), fatigue crack

王璐, 李鹏志, 王正, 王蕊. 基于CT扫描的2A12铝合金疲劳裂纹三维重建方法研究[J]. 机械工程学报, 2015, 51(24): 63-68.

WANG Lu, LI Pengzhi, WANG Zheng, WANG Rui. Three-dimensional Reconstruction Method Study of 2A12 Aluminum Alloy Fatigue Crack Based on Computed Tomography[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(24): 63-68.

参考文献

[1] 张文孝，梁莎莉，郭成璧. 复杂应力状态铝合金高温低周疲劳裂纹扩展规律[J]. 力学与实践，1996，18(6)：17-20.ZHANG Wenxiao，LIANG Shali，GUO Chengbi. The propagation of short crack for low cycle fatigue at high temperature and complex stress states[J]. Mechanics and Practice，1996，18(6)：17-20.
[2] JORDON J B，HORSTEMEYER M F，YANG N，et al. Microstructural inclusion influence on fatigue of a cast A356 aluminum alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions，2010，41A(2)：356-363.
[3] 谭晓明，张丹峰，卞贵学，等. 腐蚀对新型高强度铝合金疲劳裂纹萌生机制及扩展行为的作用[J]. 机械工程学报，2014，50(22)：76-83. TAN Xiaoming，ZHANG Danfeng，BIAN Guixue，et al. Effect of corrosion damage on fatigue crack initiation mechanism and growth behavior of high strength aluminum alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(22)：76-83.
[4] 王常玺，刚铁，于朋，等. 一种铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的超声快速检测方法[J]. 机械工程学报，2015，51(2)：7-13.WANG Changxi，GANG Tie，YU Peng，et al. Ultrasonic method for rapid detection of the aluminum friction stir welding defects[J]. Journal of Mechanical Engineering，2015，51(2)：7-13.
[5] 万明珍，张在强，吕鹏，等. 热循环作用下2A12铝合金的微观结构与性能[J]. 中国有色金属学报，2013，23(4)：939-943.WAN Mingzhen，ZHANG Zaiqiang，LÜ Peng，et al. Microstructure and properties of 2A12 aluminum alloy under thermocycling[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2013，23(4)：939-943.
[6] 夏卿坤，刘志义，王恒，等. 2A12 铝合金 T6 和 T8 时效态的疲劳性能[J]. 材料热处理学报，2014，35(4)：67-71. XIA Qingkun，LIU Zhiyi，WANG Heng，et al. Fatigue property of 2A12 aluminum alloy for T6 and T8 aging[J]. Transactions of Material and Heat Treatment，2014，35(4)：67-71.
[7] 赵飞. 2A12铝合金时效成形的微观组织及力学性能[D] 大连：大连理工大学，2010.ZHAO Fei. Microstructures and mechanical properties of 2A12 aluminum alloy after age forming[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2010.
[8] 卞贵学，陈跃良，张勇，等. 2A12铝合金疲劳裂纹的成核与扩展机理[J]. 材料研究学报，2012，26(5)：521-526.BIAN Guixue，CHEN Yueliang，ZHANG Yong，et al. Microstructural mechanism fatigue crack nucleation and propagation of 2A12 aluminum alloy[J]. Chinese Journal of Material Research，2012，26(5)：521-526.
[9] 陈跃良，卞贵学，衣林，等. 腐蚀和疲劳交替作用下飞机铝合金疲劳性能及断裂机理研究[J]. 机械工程学报，2012，48(20)：70-76.CHEN Yueliang，BIAN Guixue，YI Lin，et al. Research on fatigue characteristic and fracture mechanics of aluminum alloy under alternate action of corrosion and fatigue[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48(20)：70-76.
[10] 高欣健，张旭东，PETER O，等. 基于单幅灰度图像的快速三维重建方法研究[J]. 机械工程学报，2014，50(2)：42-47.GAO Xinjian，ZHANG Xudong，PETER O，et al. Fast method of 3D surface reconstruction based on single gray image[J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(2)：42-47.
[11] 张爱东，李炬，陈发，等. 工业CT图像的三维重建[J]. 核电子学与探测技术，2005，25(4)：420-422.ZHANG Aidong，LI Ju，CHEN Fa，et al. Three-dimensional ICT reconstruction[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology，2005，25(4)：420-422.
[12] 周正干，杜圆媛. 基于多幅X射线数字图像的缺陷自动识别技术[J]. 机械工程学报，2006，42(3)：73-76.ZHOU Zhenggan，DU Yuanyuan. Automated defects recognition technique based on multiple radiographic images[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42(3)：73-76.
[13] BUFFIERE J，PROUDHON H，FERRIE E，et al. Three dimensional imaging of damage in structural materials using high resolution micro-tomography[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2005，238：75-82.
[14] FERRIE E，BUFFIERE J，LUDWIG W. 3D characterisation of the nucleation of a short fatigue crack at a pore in a cast Al alloy using high resolution synchrotron microtomography[J]. International Journal of Fatigue，2005，27：1215-1220.
[15] RETHOREA J，LIMODINB N，BUFFIERE J，et al. Three-dimensional analysis of fatigue crack propagation using X-ray tomography, digital volume correlation and extended finite element simulations[J]. Full Field Measurements and Identification in Solid Mechanics，2012，4：151-158.
[16] SPEAR A，LI S，LIND J，et al. Three-dimensional characterization of microstructurally small fatigue-crack evolution using quantitative fractography combined with post-mortem X-ray tomography and high-energy X-ray diffraction microscopy[J]. Acta Materialia，2014，76(2014)：413-424.
[17] 敖波，邓翠贞，邬冠华. 2A50 锻铝三点弯曲试验与高分辨率CT 成像分析[J]. 材料工程，2011(5)：13-16.AO Bo，DENG Cuizhen，WU Guanhua. Three-point bending test of 2A50 forging aluminum and analysis by high-resolution computed tomography[J]. Journal of Materials Engineering，2011(5)：13-16.
[18] SURESH S. Fatigue of materials[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1998.
[19] 李存华，孙志挥. 基于离群点检测的图形图像噪声滤除算法[J]. 中国图像图形学报，2003，8A(9)：1015-1020.LI Cunhua，SUN Zhihui. Image denoising via outlier pixel detection[J]. Journal of Image and Graphics，2003，8A(9)：1015-1020.
[20] 赵俊红，瞿中. 工业CT断层序列图像三维重建的实现[J]. 微机发展，2003，13(7)：20-21.ZHAO Junhong，QU Zhong. 3D reconstruction of 2D ICT image[J]. Microcomputer Development，2003，13(7)：20-21.
[21] 曾筝，董芳华，陈晓，等. 利用MATLAB实现CT断层图像的三维重建[J]. CT理论与应用研究，2004，13(2)：24-29.ZENG Zheng，DONG Fanghua，CHEN Xiao，et al. Three dimensions reconstruction of CT image by MATLAB[J]. CT Theory and Applications，2004，13(2)：24-29.

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[1]	梁鹏, 赵文卓, 武通海, 冉毅. 发电机转子小齿裂纹的超声回波特性及在机检测方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 11-21.
[2]	王博士, 陈楠楠, 蔡艳, 王敏. 低合金贝氏体高强钢模拟焊接粗晶热影响区低温疲劳韧脆转变行为及机制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 271-278.
[3]	孙士勇, 朱殿立, 李佳琦, 樊俊铃, 杨睿, 赵延广. 基于图像对比的疲劳裂纹扩展动态检测方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 24-31.
[4]	高冲, 董丽虹, 王海斗, 刘彬, 吕晓仁. 整体加筋结构疲劳损伤研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 116-127.
[5]	喻健, 缑百勇, 陈桂勇, 张腾, 马斌麟, 樊祥洪, 陈鑫, 王逸韬. 胶铆混合修理结构疲劳裂纹扩展性能分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(22): 352-368.
[6]	李鹤飞, 张鹏, 张哲峰. 高强钢断裂韧性与疲劳裂纹扩展评价方法研究进展[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 18-31.
[7]	于培师, 赵宇翔, 吴连生, 卞家坤, 赵军华, 郭万林. TC4ELI钛合金疲劳裂纹路径偏折与寿命提升机制[J]. 机械工程学报, 2023, 59(16): 72-81.
[8]	王超, 杨冰, 朱涛, 肖守讷, 阳光武, 范晓达. 表面强化车轴裂纹扩展及剩余寿命预测方法研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(14): 43-53.
[9]	葛玖浩, 杨晨开, 胡宝旺, 王平, 李伟, 袁新安, 叶云飞. 交流电磁场检测技术钢轨表面裂纹高速检测研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 66-74.
[10]	严俨, 刘怡, 朱俊臻, 苗玲, 陈笑天, 周宇, 卢艳平, 高斌, 田贵云. 基于电涡流脉冲热成像偏度特征的钢轨自然裂纹量化评估[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 75-85.
[11]	苗玲, 高斌, 石永生, 李浩然, 黎潇枫, 吴同乐, 张喜源, 田贵云. 基于电涡流热成像的钢轨滚动接触疲劳裂纹动态检测研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 86-97.
[12]	陆小龙, 田贵云, 熊龙辉, 高斌, 伍剑波, sub, sub, 苗玲. 气流热成像钢轨滚动接触疲劳裂纹在线检测与速度影响研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 98-106.
[13]	江荣, 吴常皓, 万煜伟, 张禄, 宋迎东. 涡轮盘合金氧化-疲劳裂纹扩展机理和寿命预测研究进展[J]. 机械工程学报, 2021, 57(16): 122-131.
[14]	吴圣川, 谢成, 胡雅楠, 吴正凯, 康国政. 中高强度铝合金熔化焊接接头的缺陷容限评价方法[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8): 46-59.
[15]	沈学成, 黄毓晖, 朱明亮, 轩福贞. 疲劳门槛值统一理论模型的比较及验证[J]. 机械工程学报, 2020, 56(24): 81-87.