数字化三维重建晶粒组织中棱长的定量表征及应用

【作者】 薛维华； 王浩； 刘国权；

【机构】 辽宁工程技术大学材料科学与工程学院； 北京科技大学材料科学与工程学院；

【摘要】 在晶粒组织中,三个晶粒相互接触的晶棱是其重要组成内容,在晶粒长大过程中起着重要的控制作用。晶棱长度(棱长)是晶粒重要的尺寸量特征之一,也是表征晶粒长大的过程的某些晶粒长大方程的重要参数[Nature,2007,446:1053]。在数字化三维重建晶粒组织中,晶棱(也包括晶面)并不以真实的三维体素形式存在,如何对其进行精确定量表征存在方法学上的困难。基于此,本文比照二维图像的像素和三维图像的体素的抽象方法,提出了描述数字化空间曲线的线素的概念,以其为基础,实现了数字化三维重建晶粒组织中晶棱的线素实体化模型(台阶状折线型空间曲线)。针对台阶状曲线无法逼近曲线真实长度的问题,本文提出了对晶棱线素按序分组,用头尾相连的直线代替折线的逼近测量方案,实现了棱长的高效率、高精度定量表征。利用不同直径的空间圆周进行评估发现,以6个线素为一组,可以使测量误差保持在2%左右。利用对不同晶粒组织中晶粒总棱长的测量结果,本文对晶粒组织中晶粒半径与晶粒总棱长的关系进行了分析,对描述晶粒长大的MacPherson-Srolvitz方程进行了验证。研究发现,虽然棱长是晶粒体系中的一个一维尺寸量,但晶粒组织中,晶粒半径与晶粒总棱长成平方关系。经过分析发现,出现这一特殊现象的原因在于,晶粒总棱长不仅仅与晶粒半径相关,也与晶粒的面数(拓扑学)有关。经过相关推导,本文对这一平方关系进行了论证。通过对MacPherson-Srolvitz方程的验证发现,方程大体描述了晶粒长大过程的影响因素与规律,但对于不同长大速率的晶粒,其影响规律可以分段来描述,说明了方程仍有值得讨论与进一步发展的空间。更多还原