Caratterizzazione di cricche da fatica interne nelle leghe di alluminio mediante simulazione di tomografia a contrasto di fase

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5981 (2022) Citare questo articolo

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La tomografia computerizzata con radiazione di sincrotrone (SRCT) consente una migliore rilevazione delle cricche da fatica nei metalli rispetto alla CT di laboratorio grazie all'esistenza del contrasto di fase. Tuttavia la presenza nelle immagini ricostruite di frange ai bordi degli oggetti generate dalla diffrazione di Fresnel rende difficile identificare e analizzare quantitativamente le crepe. Utilizzando il software GATE si ottengono simulazioni di immagini di tomografia a sincrotrone a contrasto di fase contenenti crepe di diverse dimensioni e forme. Analizzando i risultati della simulazione, in primo luogo, abbiamo confermato che le parti luminose con forte contrasto nell'immagine SRCT sono artefatti da strisce; in secondo luogo, abbiamo scoperto che i valori della scala di grigio all'interno delle crepe nelle immagini SRCT sono correlati alla dimensione della fessura; questi risultati della simulazione vengono utilizzati per analizzare le immagini SRCT delle cricche da fatica interne in una lega di alluminio fuso, fornendo una visualizzazione più chiara del danno.

La tomografia computerizzata (CT) è un'efficiente tecnologia di controllo non distruttivo per l'osservazione delle caratteristiche interne (fessure, difetti, inclusioni, ecc.) nei materiali opachi. Per la caratterizzazione del danno all'interno dei metalli, sono ampiamente utilizzate due modalità tomografiche principali: CT ad attenuazione e CT a contrasto di fase. Con le sorgenti industriali standard, la dimensione del punto focale è solitamente troppo grande e lo spettro energetico dei raggi X troppo ampio per consentire di vedere gli effetti di interferenza dei raggi X, quindi è possibile solo l'attenuazione CT. D'altra parte, con sorgenti di laboratorio nanofocus o impianti di radiazione di sincrotrone, il fascio di raggi X è molto più coerente, il che consente al rilevatore di registrare in modo più efficace le informazioni sul cambiamento di fase dei raggi X e il contrasto di fase è osservabile per impostazione predefinita. Per lo studio della propagazione delle cricche da fatica nei metalli, viene sfruttata la diffrazione di Fresnel dei raggi X per migliorare la visibilità dei bordi e dei confini all'interno di un oggetto1. I tipi più comuni di TC a contrasto di fase sono basati sulla propagazione, sull'analizzatore o sul reticolo2. L'apertura delle cricche da fatica nei metalli all'apice della cricca è nell'ordine dei micrometri, il che si traduce in un contrasto molto basso, e la tomografia computerizzata con radiazione di sincrotrone (SRCT) è quindi fondamentale per osservare le caratteristiche dei sub-voxel grazie al contrasto di fase3.

Tuttavia, rispetto alla tomografia ad attenuazione standard, per la quale il valore della scala di grigi dell'immagine ricostruita è proporzionale al coefficiente di attenuazione lineare del materiale, la tomografia a contrasto di fase comporta un aumento della complessità dell'immagine: il contrasto di fase tipicamente genera frange ai bordi degli oggetti nelle immagini ricostruite3,4; inoltre, vengono generati artefatti di strisce5. Questa complessità rende difficile identificare con precisione le crepe nell'immagine ricostruita e analizzarla quantitativamente6. Alcuni metodi di ricostruzione consentono il recupero di fase nella tomografia a contrasto di fase a distanza singola: il metodo Paganin7 o il metodo Moosmann8 (dal nome del 1\(^{st}\) autore dell'articolo corrispondente). La tomografia a contrasto di fase basata sulla propagazione a distanza singola è ampiamente preferita per risparmiare tempo durante gli esperimenti in situ9. Tuttavia, per la ricostruzione SRCT delle cricche da fatica nel metallo, il metodo Paganin provoca l'offuscamento dei bordi della cricca; nel frattempo, il metodo Moosmann richiede lunghe distanze oggetto-rivelatore (tipicamente diversi metri per i metalli) che non sono facilmente ottenibili in tutte le linee di fascio. Pertanto negli studi che riportano immagini 3D delle cricche pubblicati finora, viene utilizzato il classico metodo di ricostruzione Filtered Back Projection (FBP) senza recupero di fase, come ad esempio nelle leghe di Al10,11; nelle leghe di Ti12,13; in ghisa14; in lega di Mg15. Le immagini simulate in questo documento sono ottenute utilizzando il metodo FBP.

La Figura 1 mostra una tipica immagine ricostruita di una cricca da fatica interna all'interno di un campione di lega di alluminio fuso. Questa immagine è stata ottenuta a SOLEIL (linea di fascio PSICHE) con un'energia di 29 keV, una distanza campione-rivelatore di 15 cm e una dimensione del voxel di 1,3 \(\upmu\)m. Poiché le cricche da fatica interna si sviluppano senza entrare in contatto con l'aria ambiente, le superfici della cricca corrispondono al piano di scorrimento cristallografico (\(\{1 1 1\}\) nel caso specifico) spesso inclinato rispetto all'asse trazione/campione16,17 . Le caratteristiche scure in questa immagine corrispondono a voxel con attenuazione prossima allo zero, cioè appartenenti alla fessura. Tuttavia, molte caratteristiche luminose con forte contrasto appaiono anche come linee bianche nelle sezioni. Nelle fette verticali (gli assi di rotazione/tensione sono entrambi verticali), quelle linee bianche sono parallele alle linee scure corrispondenti ai voxel appartenenti alle fessure (Fig. 1a); nelle fette orizzontali le linee bianche tendono ad apparire alla fine delle linee scure (Fig. 1b). È difficile interpretare quelle caratteristiche bianche in modo inequivocabile. Potrebbero essere crepe interne piatte con piccola apertura, ma potrebbero anche essere artefatti con striature. Se corrispondono a crepe, occorre evidentemente un criterio per decidere quando una crepa appare scura e quando appare chiara. Se sono artefatti bisogna sapere come sono legati alle crepe. Per affrontare questi problemi, è necessario innanzitutto un approccio di simulazione.