[发明专利]一种基于材料显微组织图像的介观层次裂纹自动统计方法

说明书

技术领域

本发明属于介观层次材料科学领域，涉及一种基于材料显微组织图像的裂纹自动统计方法。

背景技术

介观层次裂纹的定量信息对于定量分析混凝土、岩石、涂层等一类脆性材料以及其他广泛应用于冲击载荷、疲劳载荷、热载荷服役环境的众多金属、非金属以及复合材料的力学行为、服役寿命等起着至关重要的作用。例如，国内外研究表明，岩石在承载和变形过程中表面裂纹扩展的情况，包括裂纹在一定时刻的数量、扩展方向等，在很大程度上反映了试样内部的损伤情况。再如，国外对热障涂层的研究发现热障涂层的弹性模量、热传导率等参量与裂纹的长度成三次方比例关系，裂纹的存在会显著降低材料整体的有效杨氏模量、热导率等，从而极大地影响材料的使用性能。不仅如此，裂纹的取向与材料的性能也密切相关。以涂层为例，平行于基体表面的横向裂纹，在热循环过程中，由于拉应力的作用，往往迅速导致涂层整体剥落，引起涂层失效；而平行于涂层厚度方向的纵向裂纹因其降低了涂层的弹性模量，释放了涂层中的应力，反而可以在一定程度上起到增韧作用，延长材料的寿命。同时，通过研究发现，在绝大部分情况下，不同裂纹之间是相互独立的，极少出现相互交叉的情况。因此，基于材料的显微组织图像，实现介观层次裂纹长度、角度等信息的自动统计具有十分重要的理论研究价值及工程应用价值。

然而，目前国内外尚未建立起高效、可靠的裂纹自动统计方法。比如，有学者提出，可选取部分有代表性的材料显微组织图像读入计算机，再用数字图像处理技术屏蔽微孔洞等其他信息，只保留裂纹信息，但在裂纹的定量化统计阶段还只能依靠简单的手动方式；还有学者通过CT扫描技术，利用数学形态学对CT数字图像中的CT数进行处理和识别，借用二值形态学骨架提取算法对裂纹进行检出和测量，但它只能间接对裂纹进行定量化统计且只能统计裂纹长度，对裂纹条数和角度的定量统计是无能为力的。近年来，国外基于计算机辅助图像分析技术采用BORLAND C++编写了相关软件对材料内部裂纹进行识别，可计算裂纹的长度及与最水平直线的角度。但受程序本身的制约，只能对典型区域裂纹的总体趋势进行统计，影响了对裂纹定量统计的准确性。

发明内容

本发明的目的是针对国内外裂纹定量统计现有技术存在的缺陷，提出一种基于材料显微组织图像的介观层次裂纹自动统计方法，能够简便且准确地对裂纹进行定量统计。采用本发明方法，可得到实际材料显微组织中裂纹的形状和分布(包括裂纹的条数、长度和角度)，并可直接用于介观层次的材料性能有限元数值模拟中，从而进一步研究裂纹长度、取向等与基本物理、力学性能的关系。

本发明方法的基本原理是：首先采用基于材料显微组织图像的有限元网格模型生成方法(参见中国专利《一种基于材料显微组织图像的有限元网格模型生成方法》，申请号为CN200710160759.6)，将分辨率为m×n的材料显微组织图像进行灰度处理，得到灰度矩阵并导入到有限元软件中生成有限元网格单元数为m×n的有限元网格单元模型。然后，根据生成的有限元网格单元模型，从单元号1开始循环到最后一个单元号为m×n的单元，搜索裂纹单元。待搜索出所有的裂纹单元后，对每条裂纹设置一个不同的裂纹编号，即可识别出该图片中的裂纹条数。在此基础上对各条裂纹进行定量统计，即，在同一裂纹编号的裂纹单元节点中选择节点在X方向上的最小值xmin和最大值xmax，并在同一裂纹编号的裂纹单元节点中选择节点在Y方向上的最小值ymin和最大值ymax，根据节点最小值(xmin，ymin)和节点最大值(xmax，ymax)的连线以及水平和垂直方向的连线可构成一个直角三角形。该直角三角形的斜边距离即为裂纹长度，而两直角边的反正切值转化为角度值后即为该裂纹的角度。然后，将此裂纹的定量统计信息(条数、长度和角度)写入到文本文件中。以此类推，最后即可将材料内部所有裂纹的定量统计信息(条数、长度和角度)写入到文本文件中。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一、对材料显微组织图像进行灰度矩阵处理，建立与材料显微组织图像像素点相对应的有限元网格单元。根据生成的有限元网格单元，搜索所有的裂纹单元。具体实现过程为：

采用基于材料显微组织图像的有限元网格模型生成方法，将分辨率为m×n的裂纹图片进行灰度处理，得到灰度矩阵并导入到有限元软件中，生成有限元网格单元数为m×n的有限元网格单元。然后，设置初始裂纹材质号为2，基体材质号为1。根据生成的有限元网格单元，从单元号1开始循环到最后一个单元号m×n，搜索裂纹单元。当搜索到材质号为2的单元，此单元即为裂纹单元。裂纹单元搜索过程的流程如图1所示。