Study of degradation processes in engineering materials using X-ray (micro)tomography and dedicated volumetric image processing and analysis.

This dissertation presents new experimental and computing methodologies to study different degradation processes in engineering materials. This has been done thanks to the unique use of X-ray tomography and the development of new image processing and analysis strategies.Niniejsza rozprawa habilitacyjna przedstawia nowe metody eksperymentalne i obliczeniowe stosowane do badania stopnia degradacji materiałów konstrukcyjnych. Zadania te zostały zrealizowane przez zastosowanie tomografii rentgenowskiej i nowych algorytmów analizy i przetwarzania obrazów

OPTYMALIZACJA OBLICZEŃ TRÓJWYMIAROWYCH LOKALNYCH MAP KIERUNKOWYCH Z UŻYCIEM ŚRODOWISKA OBLICZENIOWEGO MATLAB

This paper presents the development and evaluation of a new approach toward the optimization of 3D local orientation map calculation in the Matlab framework. This new approach can be detailed as: optimize eigenvector calculation for PCA analysis of X-ray micro tomography images of lamellar Titanium alloys image. We use two different methods to find the eigenvector of the largest eigenvalue and compare them with the Matlab built-in function (eigs). The results show a steep decrease of the calculation time using the authors' method compared to the Matlab built-in function.W artykule przedstawiono rozwój i ocenę nowego podejścia dotyczącego optymalizacji obliczeń 3D lokalnych orientacji map w środowiska Matlab. Zastosowano dwie różne metody wyznaczania wektora własnego największej wartości własnej. Wyniki są porównywane z wynikami otrzymanymi przy pomocy wbudowanych w pakiecie Matlab funkcji wyznaczające wektory i wartości własne. Wyniki porównania pokazują redukcję czasu obliczeń przy użyciu autorskiej metody w stosunku do funkcji wbudowanej w Matlab

Zastosowanie algorytmów zamykania i wypełniania tuneli w komputerowej analizie materiałów na bazie tomograficznych obrazów 3D

Artykuł prezentuje szybkie, oryginalne algorytmy zamykania i wypełniania tuneli dla obiektów wolumetrycznych 3D oraz ich przykładowe zastosowania w badaniach materiałów z wykorzystaniem tomografii rentgenowskiej. Pierwsze zastosowanie dotyczy aproksymacji objętości wiązadeł mostowych w popękanej stali nierdzewnej. Następnie zaprezentowano badania nad strukturą poliuretanowych pian auksetycznych. Trzeci przykład dotyczy badań nad zgrzewaniem dwóch płyt będących stopami aluminium. Wszystkie zaprezentowane przypadki pokazują przydatność algorytmów bądź to na etapie wstępnego przetwarzania tomograficznego obrazu 3D lub na etapie ekstrakcji interesujących obiektów.The article presents fast, original algorithms of tunnel closing and tunnel filling for volumetric 3D objects and their exemplary applications in materiał Science with the use of X-ray tomography. The first application concerns volume approximation of bridge ligaments in stress corrosion cracking of stainless steel samples. Moreover the authors present research on Structure of polyurethane auxetic foam. The third example concerns research on friction stir spot welding of aluminum sheets. All presented cases show usefulness of these algorithms in 3D tomography image processing or extraction of interesting objects from a 3D image

Design of a new sensor to improve accuracy of ECT images

Electrical capacitance tomography (ECT) has been successfully applied in many industrial fields. However, the resolution of ECT still needs to be improved so that it can be used in a wider scope. As a first attempt to overcome this drawback, a new design is presented as a prototype system for improving the resolution based on rotation of the sensor. y keeping the number of electrodes constant, the image quality may be enhanced by making additional measurements at different angles

KLASTERYZACJA K-ŚREDNICH OBRAZÓW TEKSTUROWYCH LAMELARNYCH MIKROSTRUKTUR STOPÓW TYTANU

This paper presents an implementation of the k-means clustering method, to segment cross sections of X-ray micro tomographic images of lamellar Titanium alloys. It proposes an approach for estimating the optimal number of clusters by analyzing the histogram of the local orientation map of the image and the choice of the cluster centroids used to initialize k-means. This is compared with the classical method considering random coordinates of the clusters.W artykule przedstawiono implementację metody klasteryzacji k-średnich, do segmentacji dwuwymiarowych rentgenowskich obrazów mikro tomograficznych lamelarnych stopów tytanu. Zaproponowano metody szacowania optymalnej liczbę klastrów oraz wyboru centro idów poprzez analizę histogramu mapy lokalnych kierunków obrazu. Dokonano porównania zaproponowanych metod z losowym doborem początkowego położenia klastrów

ANALIZA PROCESÓW DEGRADACJI I PRZEPŁYWU GRANULATU Z WYKORZYSTANIEM OBRAZOWANIA METODĄ PROMIENI X

This paper reviews the work that has been done in the past 10 years at the Lodz University of technology about the visualization and the quantification of phenomena related to degradation processes (i.e. stress corrosion cracking in stainless steel, fatigue crack in titanium alloys) in engineering materials as well as granular flow in silos using X-ray imaging (i.e. radiography and (micro)tomography). Besides presenting the experimental protocols, the paper also presents the image processing strategies that have been applied to enable the extraction of characteristic parameters from the volumetric images.Artykuł przedstawia przegląd prac badawczych przeprowadzonych w ostatnich 10 latach w Politechnice Łódzkiej, dotyczących wizualizacji oraz analizy ilościowej zjawisk mających miejsce w procesie degradacji materiałów (tj. korozji naprężeniowej stali nierdzewnej, pęknięcia stopów tytanu) oraz przepływu materiałów sypkich w silosach z wykorzystaniem obrazowania metodami opartymi na promieniowaniu X (tzn. radiografii oraz (micro)tomografii). Oprócz przedstawienia metodologii pomiaru, zostały również opisane metody przetwarzania obrazów, pozwalające na wyznaczenie charakterystycznych parametrów badanych procesów z obrazów wolumetrycznych.&nbsp

Wavelet-based texture segmentation of titanium based alloy lamellar microstructure: application to images from optical microscope and X-ray microtomography

A texture segmentation algorithm which combines grey level intensity from 2 images after discrete wavelet transform and variance has been applied on 2D images to segment lamellar colonies in (α+β) titanium alloy Ti6A14V. Images were acquired using both optical microscope and X-ray tomography. The results are satisfying for the former technique and encouraging for the latter one. Possible extension of the method to volumetric data is presented

An algorithm to generate high dense packing of particles with various shapes

Discrete Element Method (DEM) is one of available numerical methods to compute movement of particles in large scale simulations. The method has been frequently applied to simulate the cases of grain or bulk material as the major research issue. The paper describes a new method of generating high dense packing with mixed material of two different shape used in DEM simulation. The initial packing is an important parameter to control, because have influence on the first few seconds after start the simulation. Some-times when the material in silo is arranged with loose packing before the start, the particles move downward gravity. These changes between the start and the first few seconds in simulations act strongly on the results at the end of a discharging process in silo. At the initial simulation time it is important to prepare proper packing with mixed material, in order to make sure that the particles will not move due to gravity action. This solution is a necessary step to integrate in the simulation procedure in order to compare later the computer simulation with experimental measurements of material discharge in a silo

[La microstructure 3D des matériaux polycristallins vue sous la lumière synchrotron]

International audienceSynchrotron radiation X-ray imaging and diffraction techniques offer new possibilities for non-destructive bulk characterization of polycrystalline materials. Minute changes in electron density (different crystallographic phases, cracks, porosities) can be detected using 3D imaging modes exploiting Fresnel diffraction and the coherence properties of third generation synchrotron beams. X-ray diffraction contrast tomography, a technique based on Bragg diffraction imaging, provides access to the 3D shape, orientation and elastic strain state of the individual grains from polycrystalline sample volumes containing several hundred up to a few thousand grains. Combining both imaging modalities allows a comprehensive description of the microstructure of the material at the micrometer length scale. Repeated observations during (interrupted) mechanical tests provide unprecedented insight into crystallographic and grain microstructure related aspects of polycrystal deformation and degradation mechanisms in materials, fulfilling some conditions on grain size and deformation state.Les techniques d'imagerie et de diffraction au rayonnement synchrotron offrent de nouvelles possibilités pour la caractérisation tridimensionnelle et non destructive des matériaux polycristallins. De faibles variations de densité électronique (phases secondaires, fissures, porosités) peuvent êtres détectées grâce à des modes d'imagerie qui exploitent la diffraction de Fresnel ainsi que la cohérence des faisceaux issus des sources synchrotron de troisième génération. La tomographie par contraste de diffraction, autre technique d'imagerie 3D basée sur la diffraction de Bragg, donne accès à la forme, l'orientation et l'état de déformation élastique des grains dans des volumes polycristallins contenant jusqu'à mille grains. La combinaison de ces deux modes d'imagerie permet de caractériser des matériaux polycristallins à l'échelle du micron. Des observations répétées lors d'essais mécaniques (interrompus) permettent d'analyser le rôle de la cristallographie locale sur les mécanismes de déformation et de dégradation dans des matériaux polycristallins, respectant certaines conditions sur la taille de grains, et/ou leur état de déformation

Controlled inline fluid separation based on smart process tomography sensors

Today's mechanical fluid separators in industry are mostly operated without any control to maintain efficient separation for varying inlet conditions. Controlling inline fluid separators, on the other hand, is challenging since the process is very fast and measurements in the multiphase stream are difficult as conventional sensors typically fail here. With recent improvement of process tomography sensors and increased processing power of smart computers, such sensors can now be potentially used in inline fluid separation. Concepts for tomography‐controlled inline fluid separation were developed, comprising electrical tomography and wire‐mesh sensors, fast and massive data processing and appropriate process control strategy. Solutions and ideas presented in this paper base on process models derived from theoretical investigation, numerical simulations and analysis of experimental data