ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Статья содержит обзор исследований, связанных с использованием синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов, подвергнутых различным методам внешнего воздействия. Введение. Отражена важная роль рентгеновского излучения в области исследования материалов. Сопоставлены возможности стандартных рентгеновских приборов, оснащенных рентгеновскими трубками, и современных источников синхротронного излучения (СИ), характеризующихся уникальными параметрами. Методы изучения плоских образцов. Томография и синхротронная ламинография. Информативным методом, основанным на использовании синхротронного рентгеновского излучения, является компьютерная томография (SRCT), позволяющая получать изображения сечений изучаемых объектов путем обработки множества абсорбционных рентгенограмм. Представлена краткая классификация томографов пяти поколений. Проблем, возникающих при получении данных от некомпактных (неизометричных) образцов, удается избежать при использовании метода синхротронной компьютерной ламинографии (SRCL), который сочетает в себе принципы ламинографии с преимуществами синхротронной визуализации. В настоящее время метод применяется для неразрушающего контроля неизометричных объектов на ряде источников синхротронного излучения (ESRF, ANKA, Spring-8). Разрешение компьютерной синхротронной ламинографии. Использование монохроматического излучения при реализации метода компьютерной ламинографии является фактором, обеспечивающим высокое пространственное разрешение, вплоть до микронного и субмикронного масштаба. Не менее важный фактор связан с характеристиками используемого детектора. При использовании наноламинографии получены изображения с разрешением ~ 100 нм. Сравнение методов ламинографии и томографии. Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography). Метод дополненной ламинографии (Augmented laminography) позволяет повысить качество изображений за счет дополнения пространства Фурье, анализируемого при реализации ламинографии, информации, полученной при использовании компьютерной томографии с более низким разрешением. Реконструкция, выполненная с использованием метода Augmented laminography, характеризуется отсутствием существенных артефактов и высоким разрешением. Реализация метода ламинографии. Угол наклона поворотной оси q при реализации метода SRCL связан с геометрией образцов и в каждом случае определяется экспериментально. С целью достижения необходимого разрешения величина q должна обеспечить оптимальное среднее значение интенсивности прошедшего излучения. Энергию рентгеновского излучения рассчитывают исходя из характеристик материала, а именно с учетом показателя поглощения излучения. Для реконструкции изображений исследуемых объектов используют программные комплексы, реализующие метод фильтрованной обратной проекции, основанный на преобразовании Радона. Примеры использования ламинографии для анализа образцов из металлических сплавов. Метод ламинографии может быть использован при выполнении in situ исследований, что позволяет в режиме реального времени контролировать процессы, развивающиеся в различных условиях внешнего воздействия, например, при пластической деформации металлических пластин. Интерес представляют данные о формировании в процессе нагружения металлических заготовок дефектов типа пор. В литературе описаны многочисленные примеры применения post-mortem исследований металлических сплавов различного назначения. Важная информация получена при изучении усталостных трещин, а также дефектов, возникающих в процессе контактно-усталостного нагружения материалов. Заключение. Реализация методов SRCT и SRCL рациональна на строящемся в Новосибирске источнике синхротронного излучения поколения 4+ «СКИФ».

1. Тернов И.М., Михайлин В.В. Синхротронное излучение: теория и эксперимент. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 296 с.

2. On the implementation of computed laminography using synchrotron radiation / L. Helfen, A. Myagotin, P. Mikulík, P. Pernot, A. Voropaev, M. Elyyan, M. Di Michiel, J. Baruchel, T. Baumbach // Review of Scientific Instruments. – 2011. – Vol. 82. – P. 063702. – DOI: 10.1063/1.3596566.

3. Comparison of image quality in computed laminography and tomography / F. Xu, L. Helfen, T. Baumbach, H. Suhonen // Optics Express. – 2012. – Vol. 20. – P. 794–806. – DOI: 10.1364/OE.20.000794.

4. Ziedses des Plantes B.G. Eine neue methode zur differenzierung in der rontgenographie (planigraphies) // Acta Radiologica. – 1932. – Vol. 13. – P. 182–192. – DOI: 10.3109/00016923209135135.

5. Hounsfield G.M. A method and apparatus for the examination of a body by radiation such as X or gamma radiation. Patent Specifications, 1283915. – London: Patent office, 1972.

6. Computed laminography for materials testing / J. Zhou, M. Maisl, H. Reiter, W. Arnold // Applied Physics Letters. – 1996. – Vol. 68. – P. 3500. – DOI: 10.1063/1.115771.

7. Марусина М.Я., Казначеева А.О. Современные виды томографии. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006. – 132 с.

8. Hounsfield G.M. Computed medical imaging. Nobel lecture, December 8, 1979 // Journal of Computer Assisted Tomography. – 1980. – Vol. 4. – P. 665–674. – DOI: 10.1097/00004728-198010000-00017.

9. High-resolution three-dimensional imaging of flat objects by synchrotron-radiation computed laminography / L. Helfen, T. Baumbach, P. Mikulík, D. Kiel, P. Pernot, P. Cloetens, J. Baruchel // Applied Physics Letters. – 2005. – Vol. 86. – P. 071915. – DOI: 10.1063/1.1854735.

10. Grant D.G. Tomosynthesis: a three-dimensional radiographic imaging technique // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. – 1972. – Vol. BME-19. – P. 20–28. – DOI: 10.1109/TBME.1972.324154.

11. Lauritsch G., Härer W.H. Theoretical framework for filtered back projection in tomosynthesis // Proceedings of SPIE. – 1998. – Vol. 3338: Medical Imaging 1998: Image Processing, San Diego, CA, 1998. – P. 1127–1137. – DOI: 10.1117/12.310839.

12. Synchrotron and neutron laminography for three-dimensional imaging of devices and flat material specimens / L. Helfen, T.F. Morgeneyer, F. Xu, M.N. Mavrogordato, I. Sinclair, B. Schillinger, T. Baumbach // International Journal of Materials Research. – 2012. – Vol. 103. – P. 170–173. – DOI: 10.3139/146.110668.

13. Laminography in the lab: imaging planar objects using a conventional x-ray CT scanner / S.L. Fisher, D.J. Holmes, J.S. Jørgensen, P. Gajjar, J. Behnsen, W.R.B. Lionheart, P.J. Withers // Measurement Science and Technology. – 2019. – Vol. 30. – P. 035401. – DOI: 10.1088/1361-6501/aafcae.

14. Holotomography: quantitative phase tomography with micrometer resolution using hard synchrotron radiation x rays / P. Cloetens, W. Ludwig, J. Baruchel, D. Van Dyck, J. Van Landuyt, J.P. Guigay, M. Schlenker // Applied Physics Letters. – 1999. – Vol. 75. – P. 2912–2914. – DOI: 10.1063/1.125225.

15. Nano-laminography for three-dimensional high-resolution imaging of flat specimens / L. Helfen, F. Xu, H. Suhonen, L. Urbanelli, P. Cloetens, T. Baumbach // Journal of Instrumentation. – 2016. – Vol. 8. – DOI: 10.1088/1748-0221/8/05/C05006.

16. Augmented laminography, a correlative 3D imaging method for revealing the inner structure of compressed fossils / M. Zuber, M. Laaß, E. Hamann, S. Kretschmer, N. Hauschke, Th. Van de Kamp, T. Baumbach, T. Koenig // Scientific Reports. – 2017. – Vol. 7. – DOI: 10.1038/srep41413.

17. Kak A.C., Slaney M. Principles of computerized tomographic imaging. – Philadelphia: Society of Industrial and Applied Mathematics, 2001. – 327 p. – (Classics in applied mathematics; 33). – DOI: 10.1137/1.9780898719277.

18. Relics in medieval altarpieces? Combining X-ray tomographic, laminographic and phase-contrast imaging to visualize thin organic objects in paintings / K. Krug, L. Porra, P. Coan, A. Wallert, J. Dik, A. Coerdt, A. Bravin, M. Elyyan, P. Reischig, L. Helfen, T. Baumbach // Journal of Synchrotron Radiation. – 2008. – Vol. 15. – P. 55–61. – DOI: 10.1107/S0909049507045438.

19. Three-dimensional Imaging of paint layers and paint substructures with synchrotron radiation computed μ-laminography / J. Dik, P. Reischig, K. Krug, A. Wallert, A. Coerdt, L. Helfen, T. Baumbach // Journal of the American Institute for Conservation. – 2009. – Vol. 48. – P. 185–197. – DOI: 10.1179/019713612804514260.

20. Three-dimensional pelvis and limb anatomy of the Cenomanian hind-limbed snake Eupodophis descouensi (Squamata, Ophidia) revealed by synchrotron-radiation computed laminography / A. Houssaye, F. Xu, L. Helfen, V.D. Buffrénil, T. Baumbach, P. Tafforeau, J. Vertebr // Journal of Vertebrate Paleontology. – 2011. – Vol. 31. – P. 2–7. – DOI: 10.1080/02724634.2011.539650.

21. In situ synchrotron computed laminography of damage in carbon fibre–epoxy [90/0]_s laminates / A.J. Moffat, P. Wright, L. Helfen, T. Baumbach, G. Johnson, S.M. Spearing, I. Sinclair // Scripta Materialia. – 2010. – Vol. 62. – P. 97–100. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2009.09.027.

22. In situ local imaging and analysis of impregnation during liquid moulding of composite materials using synchrotron radiation computed laminography / J. Castro, F. Sket, L. Helfen, C. Gonzalez // Composites Science and Technology. – 2021. – Vol. 215. – DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108999.

23. Ueda T., Helfen L., Morgeneyer T.F. In situ laminography study of three-dimensional individual void shape evolution at crack initiation and comparison with Gurson–Tvergaard–Needleman-type simulations // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 78. – P. 254–270. – DOI: 10.1016/j.actamat.2014.06.029.

24. In situ 3-D observation of early strain localization during failure of thin Al alloy (2198) sheet / T.F. Morgeneyer, T. Taillandier-Thomas, L. Helfen, T. Baumbach, I. Sinclair, S. Roux, F. Hild // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 69. – P. 78–91. – DOI: 10.1016/j.actamat.2014.01.033.

25. Ductile crack initiation and propagation assessed via in situ synchrotron radiation-computed laminography / T.F. Morgeneyer, L. Helfen, I. Sinclair, H. Proudhon, F. Xu, T. Baumbach // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 65. – P. 1010–1013. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2011.09.005.

26. Three-dimensional quantitative in situ study of crack initiation and propagation in AA6061 aluminum alloy sheets via synchrotron laminography and finite-element simulations / Y. Shen, T.F. Morgeneyer, J. Garnier, L. Allais, L. Helfen, J. Crépin // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61. – P. 2571–2582. – DOI: 10.1016/j.actamat.2013.01.035.

27. 3D digital volume correlation of synchrotron radiation laminography images of ductile crack initiation: an initial feasibility study / T.F. Morgeneyer, L. Helfen, H. Mubarak, F. Hild // Experimental Mechanics. – 2012. – Vol. 53. – P. 543–556. – DOI: 10.1007/s11340-012-9660-y.

28. Parallel?beam imaging at the ESRF beamline ID19: current status and plans for the future / T. Weitkamp, P. Tafforeau, E. Boller, P. Cloetens, J.-P. Valade, P. Bernard, F. Peyrin, W. Ludwig, L. Helfen, J. Baruchel // AIP Conference Proceedings. – 2010. – Vol. 1234. – DOI: 10.1063/1.3463345.

29. Ductile damage of AA2024-T3 under shear loading: mechanism analysis through in-situ laminography / T. Tancogne-Dejeana, C.C. Roth, T.F. Morgeneyer, L. Helfen, D. Mohr // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 205. – P. 116556. – DOI: 10.1016/j.actamat.2020.116556.

30. Roth C., Mohr D. Ductile fracture experiments with locally proportional loading histories // International Journal of Plasticity. – 2015. – Vol. 79. – P. 328–354. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2015.08.004.

31. Synchrotron-radiation computed laminography for high-resolution three-dimensional imaging of flat devices / L. Helfen, A. Myagotin, A. Rack, P. Pernot, P. Mikulík, M. Di Michiel, T. Baumbach // Physica Status Solidi (A). – 2007. – Vol. 204. – P. 2760–2765. – DOI: 10.1002/pssa.200775676.

32. Efficient volume reconstruction for parallel-beam computed laminography by filtered backprojection on multi-core clusters / A. Myagotin, A. Voropaev, L. Helfen, D. Hänschke, T. Baumbach // IEEE Transactions on Image Processing. – 2013. – Vol. 32. – P. 5348–5361. – DOI: 10.1109/TIP.2013.2285600.

33. Elucidation of pore connection mechanism during ductile fracture of sintered pure iron by applying persistent homology to 4D images of pores: role of open pore / I. Ando, Y. Mugita, K. Hirayama, S. Munetoh, M. Aramaki, F. Jiang, T. Tsuji, A. Takeuchi, M. Uesugi, Y. Ozaki // Materials Science and Engineering A. – 2021. – Vol. 828. – P. 142112. – DOI: 10.1016/j.msea.2021.142112.

34. Development of an x?ray micro?laminography system at SPring?8 / M. Hoshino, K. Uesugi, A. Takeuchi, Y. Suzuki, N. Yagi // AIP Conference Proceedings. – 2011. – Vol. 1365. – P. 250–253. – DOI: 10.1063/1.3625351.

35. Obayashi I. Volume-optimal cycle: tightest representative cycle of a generator in persistent homology // SIAM Journal on Applied Algebra and Geometry. – 2018. – Vol. 2. – P. 508–534. – DOI: 10.1137/17M1159439.

36. Void growth and coalescence in a magnesium alloy studied by synchrotron radiation laminography / B. Kondori, T.F. Morgeneyer, L. Helfen, A.A. Benzerga // Acta Materialia. – 2018. – Vol. 155. – P. 80–94. – DOI: 10.1016/j.actamat.2018.05.026.

37. Kondori B., Benzerga A.A. Effect of stress triaxiality on the flow and fracture of Mg alloy AZ31 // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2014. – Vol. 45. – P. 3292–3307. – DOI: 10.1007/s11661-014-2211-7.

38. Effect of laser peening on the mechanical properties of aluminum alloys probed by synchrotron radiation and x-ray free electron laser / Y. Sano, K. Masaki, K. Akita, K. Kajiwara, T. Sano // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 1490. – DOI: 10.3390/met10111490.

39. Effects of inclusion size and orientation on rolling contact fatigue crack initiation observed by laminography using ultra-bright synchrotron radiation / Y. Nakai, D. Shiozawaa, S. Kikuchia, T. Obamaa, H. Saitoa, T. Makinob, Y. Neishi // Procedia Structural Integrity. – 2016. – Vol. 2. – P. 3117–3124. – DOI: 10.1016/j.prostr.2016.06.389.

40. Observation of rolling contact fatigue cracks by laminography using ultra-bright synchrotron radiation / D. Shiozawa, T. Makino, Y. Neishi, Y. Nakai // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 3. – P. 159–164. – DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.030.

41. 4D observations of rolling contact fatigue processes by laminography using ultra-bright synchrotron radiation / Y. Nakai, D. Shiozawa, S. Kikuchi, T. Obama, H. Saito, T. Makino, Y. Neishi // Engineering Fracture Mechanics. – 2017. – Vol. 183. – P. 180–189. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.03.021.

42. Synchrotron and neural network analysis of the influence of composition and heat treatment on the rolling contact fatigue of hypereutectoid pearlitic steels / W. Solano-Alvarez, M.J. Peet, E.J. Pickering, J. Jaiswal, A. Bevan, H.K.D.H. Bhadeshia // Materials Science and Engineering: A. – 2017. – Vol. 707. – P. 259–269. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.09.045.

43. Rail rolling contact fatigue formation and evolution with surface defects / S.Y. Zhang, M. Spiryagin, H.H. Ding, Q. Wu, J. Guo, Q.Y. Liu, W.J. Wang // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 158. – P. 106762. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106762.