金属断口宏观形貌几何特征定量测量及分析.pdf

第6 2 卷第3 期 2 010 年8 月 有色金属 N O n f e I T O U SM e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N 1 3 ．3 A u g ，2010 金属断口宏观形貌几何特征定量测量及分析 于斌，靳庆臣 中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所，兰州7 3 0 0 0 0 摘要利用自主开发的金属断裂面{ 维重构软件J H x F S l t ，分析金属材料断口几何特征。介绍断厂j 剖而轮廓线租糙度、断 口表面粗糙度、断口轮廓几何特征和断口宏观形貌局域区域的测量算法和定量分析方法。结果证实．通过断口三维空间数据场可 以精确、快速地对断口宏观形貌几何特征进行定量分析。 关键词金属材料；断口形貌；几何特征；定量测量；定量分析；断口三维数据场 中图分类号T G l l 32 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 0 0 1 0 5 近年来，计算机模拟技术及三维蕈构技术已经 广泛地应用于材料研究领域。1 “J ，金属材料研究领 域中的三维空间结构的分析测量也逐渐成为热 点。3o 。在断口研究领域，由于断裂表面的典型非平 面性质而迫切希望得到其完整的三维信息。传统的 仪器测量技术对操作者的技能要求高，难以获得整 个结构或表面的三维总体空间几何信息。基于分层 切片原理自主开发的软件J H X F S R 能够获取精确 的断口三维数据场，使断口宏观形貌几何特征的智 能化定量分析成为可能。 以往计算断口形貌特征的三维空间几何信息大 都依据断口俯视图像几何特征的分析进行粗略计 算，或者通过垂直剖面法获取断口二维几何特征从 而估算断口的三维几何信息，这样都不能精确地达 到断口形貌三维空间几何特征的定量分析。断口的 计算机三维重构以往采用立体视觉的原理，缺点在 于外界因素影响较大，需要最佳的特征匹配算法，根 据二维图像通过体视学重建三维断口时对断口投影 交叠的区域往往不能重建实际的断口形貌，忽略了 部分的断口形貌特征，断口的三维空间数据场存在 一定的误差。 分层切片法获取断口三维数据场的优点在于断 口切片二维轮廓特征提取准确，切片问匹配度高，软 件算法经过多次优化能够提供精确的金属断口三维 数据场，保证了通过断口三维数据场直接对断口形 貌几何特征进行定量分析。 收稿日期2 0 0 8 0 5 2 0 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 0 7 1 0 R J Z A 0 6 2 作者简介于斌 1 9 8 3 一 ，男。黑龙江伊春市人，硕士，主要从事 金属材料等方面的研究。 1 断口三维数据场的获取 通过对断口分层切片二维图像的处理和数据整 合，得到断口三维空间数据场，切片间距为 0 ．1 5 2 m m ，切片层数为8 0 ，采用M e f 3 光学金相显微 镜采集断口侧面宏观照片。 如图1 演示了分层切片法获取断口三维空间数 据场的原理，图l a 为实际断口的宏观形貌，图1 a 中A B C D 矩形区域为切片部分。图1 b 为分 层切片数据的重构结果，与图1 a 的A B C D 比较， 结果显示切片重构结果基本符合断口宏观形貌、切 片匹配度良好、切片彼此平行、间距一致。 图1 断裂试样分层切片的三维重构 F i g ．I T h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o no fs e r i a l C F O S 8 一s e c t i o n so ff r a c t u r es a m p l e 通过断口重构软件J H X F S R 前处理模块得到 断口三维数据场，通过后处理模块对断口三维数据 场可视化，图2 为断口三维数据场的可视化结果，通 过断口三维数据场与切片轮廓线数据、切片匹配度 和可视化结果验证，证实断口的三维数据场结果精 确，可以为宏观断口形貌定量分析提供准确可靠的 三维空间几何信息，重构的坐标单位换算公式为 万方数据 2 有色金属 第6 2 卷 1p i x e l 1 ／3 宰1 0 ～m 。 2 断口几何定量分析实例 2 ．1 断口轮廓线粗糙度 断口轮廓线粗糙度R L 描述断口轮廓的几何平 均行为，属于断口轮廓的总体参量，计算公式为R ， L ／L 。，L 为断口轮廓线的实际长度，k 为断口轮廓 线的投影长度。 文献”。通过实际断口沿x 和Y 两个方向的剖面 切割，获取断口轮廓数据并计算断口剖面轮廓线粗 糙度，其剖面切割原理如图3 a 所示。已知断口三 维空间数据场，直接利用软件进行三维数据场的剖 面切割，图3 b 为断门沿戈和Y 分别剖割5 层切片 的轮廓线可视化结果，剖面的轮廓线突出显示，表1 和表2 分别为断口三维数据场断口剖面测量沿z 方 向和，’方向的结果。 图2 断口三维数据场的可视化结果 F i g ．2 T h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n o f3Dv e c t o ro ff r a c t u r es u r f a c e 表1断口三维数据场沿X 方向 剖面几何数据 T a b l e1G e o m e t r i c a ld a t ao f3Dd a t as e t so f f r a c t u r es u r f a c ea l o n gxa x i s 剖面轮廓线长的计算公式为L ∑[ 戈⋯一 x 。 2 Y ⋯一Y i 2 z ⋯一z i 2 ] Ⅳ2 i 1 一n ，其中 工为剖面轮廓线长，i 为断口三维数据场的信息点的 序号，n 为轮廓线信息点的个数， 石。，Y 。，z 。 和 戈。， Y ⋯，z 。 分别为第i 个第i 1 个信息点的空间几 何坐标。 图3实际断口与断口三维数据场 剖面切割示意 F i g ．3 T h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o no f r e a l f r a c t u r eS U 血c ei n c i s i o na n d3Dv e c t o r 表2断口三维数据场沿Y 方向 剖面几何数据 T a b l e2G e o m e t r i c a ld a t ao f3 Dd a t as e t so f f r a c t u r es u r f a c ea l o n gYa x i s 通过软件定量分析模块能够对三维数据场的剖 割与计算，自动计算断口轮廓线的粗糙度。 根据断口三维数据场，软件自动计算各片层的 轮廓线的粗糙度值，图4 和图5 分别显示了断口轮 廓线粗糙度在三维数据场中沿x 轴方向、y 轴方向 的变化规律。金属韧性断口轮廓的几何不规则性和 粗糙度与材料微观结构以及断裂条件等各种复杂因 素的综合作用结果，断口轮廓几何特征与断裂微观 机理密切相关，其几何特征分析必须建立相应的评 定标准。 2 ．2 断裂表面粗糙度 断口表面粗糙度尺。定义为R 。 S ／A ，断裂表面 的真实面积为S ，正投影面积为A 断面上重叠部分 的投影不重复计入 p 。。～般而言，断裂表面的真 实面积是很难直接测量的，实际应用中往往根据 尺。一R 。关系利用R 。进行R 。的计算∞J 。软件J H X ． 万方数据 第3 期于斌等金属断E l 宏观形貌几何特征定量测量及分析 越 挥 彝 y ／g m 图4 断口轮廓线粗糙度沿Y 轴方向的变化 F i g ．4R o u g h n e s sc u r v eo ff r a c t u r es u r f a c e c o n t o u ra l o n gYa x i s x 1 1 ．t m 图5断口轮廓线粗糙度沿x 轴方向的变化 F i g ．5R o u g h n e s sC u r v eo ff r a c t u r es u r f a c e c o n t o u ra l o n gxa x i s F S R 通过断口三维数据场自动计算断口表面面积。 软件通过三维数据场重构断口宏观形貌，断口 重构采用三角面片拼接，三角面片的面积计算采用 海伦公式，已知三角面片的空间顶点坐标，得到三角 面片的三边长度，通过海伦公式得到各个三角面片 面积，断口面积即为三维空间内三角面片面积的总 和，图7 显示断口三维重构结果。 断口表面积计算公式为S ∑[ L 。 L 。一A ； L 。 一曰i ￡i C i ] ”2 i 1 一／ t ，i 为三角面片的序号， 厶，A 。，B i 和c i 分别第i 个三角面片的周长的一半和 三角面片的三边边长，n 为三角面片的个数，n 4 5 7 6 0 ，计算得到| s 为2 0 8 0 5 1 ．2 0 p i x e l 2 。断1 2 1 投影面 积的计算公式为断口投影表面面积A [ X ] 事[ y ] ， [ X ] 和[ y ] 分别表示矩形断口重构结果在三维坐标 空间算方向和Y 方向的长度，[ x ] 和[ y ] 分别为 3 0 0 p i x e l 和3 6 0 p i x e l ，断口投影面积计算结果为 1 0 8 0 0 0p i x e l 2 ，断口表面粗糙度R 。为I ．9 2 6 4 。通过 软件定量分析模块，可以提供断面的表面粗糙度数 值。 2 ．3 断口轮廓幅度均方根粗糙度 断口轮廓幅度均方根粗糙度定义为R 。 [ 1 ／N ∑ Y 。 2 ] ”2 ，其中y ，为断1 2 I 轮廓相对其基准线的 采样幅度值，Ⅳ为采样个数。R 。反映了断口轮廓幅 度波动的大小，其数值反映了断裂过程的随机性和 微观变形情况。 断口轮廓既不同于一维的随机波形，又不同于 二维封闭区域图形，而是介于二者之间的几何形态。 定义在断口取样长度内与轮廓走向一致，并且使上 下两边的面积相同的分界线定为基准线或称中 线。7 1 。软件通过三维数据场的计算，在断口切片轮 廓线数据中自动计算基准线数据，通过8 0 层切片的 轮廓线数据的平均值计算断口轮廓幅度均方根粗糙 度，图6 为抽取其中四条轮廓线和基准线的数据进 行可视化的效果图。 计算断口轮廓幅度均方根粗糙度值为 1 ．8 2 3 2 6 p i x e l 。 2 ．4 断口整体几何特征计算 分层切片法计算机三维重构获取宏观整体断口 形貌，利用三角面片累计的算法计算断口表面积，图 7 为断口三维重构的效果图。 重构断口形貌的意义在与通过有限量的空间几 何数据逼近无限量数据的实际断口形貌，所以所求 结果逼近断1 3 真实表面面积，随着重构精度的增加， 计算结果更加接近真实值。 图6 抽取的轮廓线和基准线数据 的可视化结果 F i g ．6 T h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o no f c o n t o u ra n db e n c h m a r kl i n e 断口面积为2 0 8 0 5 1 ．2p i x e l 2 ，断1 2 1 表面面积为 2 ．3 1 1 7 卑1 0 “m 2 ，实际断口投影面积为1 ．2 木1 0 一 m 2 ，断口宏观整体形貌重构结果的三维空间几何数 万方数据 4 有色金属 第6 2 卷 据见表3 。 表3 断口整体宏观形貌的测量结果 T a b l e3M e a s u r e m e n tr e s u l to fw h o l em o r p h o l o g y o ff r a c t u r es u r f a c e 项目测蹙结果 断E l 表面面积, ／1 0 “m 2 断E l 投影面积／1 0 “m 2 断口x 方向长度／1 0 “m 断口y 方向长度／1 0 ‘4 m 断口 方向纵深／1 0 “m 2 0 8 0 5 1 ．2 0 ／9 1 0 8 0 0 0 ．0 0 ／9 3 0 0 ．0 0 ／3 3 6 0 ．0 0 ／3 1 7 5 ．0 0 ／3 图7 断口的三维重构 F i g ．7 T h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o no ff r a c t u r es u r f a c e 2 ．5 断口局部几何特征计算 软件J H X F S R 后处理模块可以对断口局部区 域定量可视化，对断1 3 局部区域细化研究，并分析可 视化结果的空间几何信息，图8 为断口的光学显微 镜宏观摄影的俯视图，图9 为断口局域区域重构的 效果图，图9 a 和图9 b 分别对应图5 的a b c d 区 域和e 坫h 区域。 断口局部区域的面积计算和其他几何信息测量 算法与断口整体区域计算的算法相同，断口局域区 域形貌几何特征测量结果见表4 。 表4 断口局部区域形貌的测量结果 T a b l e4M e a s u r e m e n tr e s u l to fl o c a lm o r p h o l o g y o ff r a c t u r es u r f a c e 2 ．6 结果分析 文献旧1 提出了一个在断口几何特征定量分析 研究领域中被认为与实际情况吻合较好的断口剖面 轮廓线粗糙度和断口表面粗糙度的函数关系式，此 公式在多篇关于断口几何特征定量分析的文献中给 予肯定，公式为R ， 4 尺。一1 ／o r 1 ，利用所得断裂 轮廓线粗糙度计算得出断E l 表面粗糙度为1 ．7 1 9 4 。 通过对比结果显示，利用断口三维数据场计算 的断口面积和实际投影面积为参数计算的断裂表面 粗糙度结果和上式基本符合，所以即证明了断口三 维数据场的精确性和断口重构的精度，断口三维数 据场精确性保证了定量分析断口局部区域所得的空 间几何信息准确性。 图8 断口俯视图的光学显微镜宏观摄像 F i g ．8 P l a n f o r mo ff r a c t u r es u r f a c e o p t i c a lm i c r o s c o p ei m a g e 图9 断口局部矩形区域a b c d 和 e f g h 的定量表征 F i g ．9Q u a n t i t a t i v ev i s u a l i z a t i o no fl o c a la r e a a b c da n de f g ho ff r a c t u r es u r f a c e 3结论 基于分层切片重构物体原型的原理自主研发金 属断口三维重构软件J H X F S R ，通过断口切片复杂 轮廓的表面重建，克服了以往通过体视学原理重建 断口复杂形貌的问题，可以较精确地重建断口。 通过软件前处理模块获取断口三维数据场，通 过软件后继处理模块对断口宏观形貌几何特征进行 定量测量及分析，为断口智能化分析奠定了一定的 基础。 通过精确的断口三维数据场对断口轮廓线粗糙 万方数据 第3 期于斌等金属断口宏观形貌几何特征定量测量及分析 5 度、断口表面粗糙度、断E l 整体和局部几何特征计定量测量和分析中具有很重要的意义。 算，结果准确，断E l 三维数据场在断口形貌几何特征 参考文献 [ I ] L iX u D o n g ．Kv a r i a t i o n sa n da n i s o t r o p y m i c r o s t r u c t u r ee f f e c ta n dn u m e r i c a lp r e d i c t i o n s [ J ] ．A S M ET r a n s a c t i o n s ，J o u r n a lo f E n g i n e e r i n gM a t e r i a l sa n dT e c h n o l o g y ．2 0 0 3 ，12 5 6 5 7 4 ． [ 2 ] “X u D o n g ．V i s u a l i z e ds i m u l a t i o na n dm o d u l a r i z e da r c h i t e c t u r eo fm i c r o s t r u c t u r ef o rc o m p o s i t em a t e r i a l s [ C ] ／／S i hGC ，S a k a i S ，P a n i n VE ．M e s o m e c h a n i c so fc o m p u t a t i o na n dd e s i g no f u s e s p e c i f i cm a t e r i a l s ．P r o c e e d i n go ft h eF i f t hI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c ef o rM e s o m e c h a n i c s ．T o k y o ．2 0 0 3 2 5 9 2 7 0 ． [ 3 ] 刘继雄，李荣峰，汪美蔷，等．断裂力学试样断口几何参数的测量[ J ] ．物理测试，1 9 9 7 ，1 4 5 3 0 3 2 ． [ 4 ] 冯凯，李秉德，于杰，等．由断口表面粗糙度测量断1 3 真实表面积[ J ] ．物理测试，1 9 9 1 ，8 5 5 0 一5 4 ． [ 5 ] 李小武，田继丰，康雁，等．断口表面粗糙度的定量分析[ J ] ．金属学报，1 9 9 5 ，3 l 7 3 1 1 3 1 7 ． [ 6 ] 张彦华，陈丙森．断口形貌几何特征定量分析[ J ] ．材料工程，1 9 9 3 ，3 7 6 3 7 3 9 ． [ 7 ] 张彦华，陈丙森，曾祥华，等．金属韧性断口轮廓几何特征参量分析[ J ] ．物理测试，1 9 9 4 ，1 1 4 1 3 一1 7 ． [ 8 ] 钟群鹏，赵子华．断口学一中国工程院院士文库[ M ] ．北京高等教育出版社，2 0 0 5 1 1 4 ． Q u a n t i t a t i v eM e a s u r e m e n ta n dA n a l y s i so fM a c r o s c o p i c a lM o r p h o l o g yo fF r a c t u r eS u r f a c e Y UB i n ，J I NQ i n g - c h e n L a n z h o ul n s t i t u t eo fP h y s i c s ，C h i n aA c a d e m yo fS p a c eT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n 口 A b s t r a c t T h ea n a l y s i so ft h em a c r o s c o p i c a lm o r p h o l o g yo fm e t a lm a t e r i a lf r a c t u r es u r f a c ei s p e r f o r m e db y useo f i n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e da p p l i c a t i o ns o f t w a r eJ H X - F S R ．T h ep r o c e s s e so fq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fc r o s ss e c t i o n c o n t o u rr o u g h n e s s ，s u r f a c er o u g h n e s s ，g e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r es u r f a c ec o n t o u ra n dl o c a la r e ao f f r a c t u r es u r f a c em o r p h o l o g ya r ed e s c r i b e d ．A sar e s u l t ，m a c r o s c o p i c a lm o r p h o l o g yo ff r a c t u r es u r f a c ecanb e q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e da c c u r a t e l ya n dr a p i d l yb yt h e3Dd a t as e t s K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；m o r p h o l o g y o ff r a c t u r e s u r f a c e ；g e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c s ；q u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t ；q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ；3Dd a t as e t so ff r a c t u r es u r f a c e 万方数据