chebЧебышевский сборникChebyshevskii Sbornik2226-8383Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University10.22405/2226-8383-2023-24-5-357-372cheb-1644Research ArticleИстория математики и приложенийСomputer scienceМетод Оцу в оценке пористости и распределении структурных дефектов по изображению компьютерной томографии изделий SLMThe Otsu method for assessing porosity and distribution of structural defects in the image of computed tomography of SLM productsЧукановАлександр НиколаевичChukanovAlexander Nikolaevich

доктор технических наук

doctor of technical sciences

alexchukanov@yandex.ruКанель-БеловАлексей ЯковлевичKanel-BelovAlexey Yakovlevich

доктор физико-математических наук, профессор

doctor of physical and mathematical sciences, professor

kanelster@gmail.comЯковенкоАлександра АлександровнаYakovenkoAlexandra Alexandrovna

кандидат технических наук

candidate of technical sciences

despozisiya100@yandex.ruЦойЕвгений ВладимировичTsoiEvgeny Vladimirovich

аспирант

postgraduate student

tsoyev@tsput.ruМоденовМихаил ЮрьевичModenovMikhail Yuryevich

генеральный директор

general director

m.modenov@yandex.ruТульский государственный педагогический университет им. Л. Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian FederationМагнитогорский государственный технический университет им. Г. И. НосоваРоссияMagnitogorsk State Nosov Technical UniversityRussian FederationООО «Металлург-Туламаш»РоссияMetallurg-Tulamash LLCRussian FederationТульский государственный педагогический университет им. Л. Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian FederationООО «Тульские мехатронные системы»РоссияTula Mechatronic Systems LLCRussian Federation202302022024245357372Copyright © Чуканов А.Н., Канель-Белов А.Я., Яковенко А.А., Цой Е.В., Моденов М.Ю., 20242024Чуканов А.Н., Канель-Белов А.Я., Яковенко А.А., Цой Е.В., Моденов М.Ю.Chukanov A.N., Kanel-Belov A.Y., Yakovenko A.A., Tsoi E.V., Modenov M.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.chebsbornik.ru/jour/article/view/1644

Описана методика наблюдения и статистического анализа количества и расположения структурных дефектов  (несплошностей различной морфологии и неметаллическихвключений) в объёме нагруженных образцов порошковых нержавеющих и жаропрочных сплавов систем Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo, изготовленных по аддитивной технологии SLM.Задача оценки пористости по изображению компьютерной томографии (КТ) сводится к установлению наличия на изображении элементов (объектов), с некоторыми индивидуальными характеристиками. Такой характеристикой принята яркость элементов изображения. Наиболее простым и естественным способом обнаружения объекта/объектов является выбор порога яркости или пороговая классификация (thresholding). В работе для указанных целей использовали метод Нобуюки Оцу, разработанный в 1979 году.Представлено сравнение информативности результатов пористости по анализу изображений, полученных при помощи методик рентгеновской компьютерной томографии иметаллографического анализа (оптического, РЭМ). Наибольшее содержание пористости в образце, отсканированном методом КТ, составило ∼0,61-0,82%. Поры в образцах SLM сплавов в обоих случаях (при оптической микроскопии и компьютерной томографии) распределены неравномерно. Анализируются проблемы, оказывающие влияние на объём информации и количественные характеристики концентраторов напряжений, фиксируемых в объектах.Показана перспективность применения алгоритма Оцу для обработки изображений КТ и оценки распределения пористости в образцах аддитивного производства, позволившего детально визуализировать внутренние поры в образцах в 3D без их физического и химического разрушения по сравнению с металлографической подготовкой.

The method of observation and statistical analysis of the number and distribution of structural defects (discontinuities of various morphologies and non-metallic inclusions) in the volume of loaded samples of powder stainless and high-strength alloys of Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo systems manufactured according to additive technology SLM is described.The task of assessing porosity from a computed tomography (CT) image is to determine the presence of elements (objects) in the image with certain individual characteristics. This characteristic is the brightness of the image elements. The simplest and most natural wayto detect an object/objects is to select a brightness threshold or threshold classification (thresholding). In the work, the Nobuyuki Otsu method, developed in 1979, was used for these purposes.A comparison of the informative value of porosity results for the analysis of images obtained using X-ray computed tomography and metallographic analysis (optical, SEM) techniques is presented. The highest porosity content in the CT scanned sample was ∼0.61-0.82%. The pores in the samples of SLM alloys in both cases (optical microscopy and computed tomography) are unevenly distributed. The problems affecting the amount of information and quantitativecharacteristics of stress concentrators recorded in objects are analyzed.The prospects of using the Ots algorithm for processing CT images and estimating the porosity distribution in samples of additive manufacturing are shown, which made it possible to visualize in detail the internal pores in samples in 3D without their physical and chemicaldestruction compared with metallographic preparation.

порошковые сплавыFe-Cr-NiFe-Cr-Ni-Moтехнология SLMрастяжениемикроструктурарентгеновская компьютерная томографияпористостьметод Оцу.powder alloysFe-Cr-NiFe-Cr-Ni-MoSLM technologystretchingmicrostructureX-ray computed tomographypowrositythe Otsu method.Представленные в данной статье исследования выполнены на средства гранта 2022 г. по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследо- ваний и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» по научному проекту: «Волновая деформация и ее взаимосвязь с ортотропией структуры и физико-механических свойств в изделиях селективного лазерного сплавления» (соглашение № 23-29-00433 от 13.01.2023 г.) (https://rscf.ru/project/№ 23-29-00433/)., А.Я. Канель-Белов был поддержан грантом РНФ 22-19-20073 «Комплексное исследование возможно- сти применения самозаклинивающихся структур для повышения жесткости материалов и конструкций» (https://rscf.ru/project/No 22-19-20073). Ему принадлежит только раздел постановка задач.The research presented in this article was carried out with the funds of a 2022 grant in the priority area of activity of the Russian Science Foundation “Conducting fundamental scientific research and exploratory scientific research by small individual scientific groups” under the scientific project: “Wave deformation and its relationship with orthotropy of structure and physico-mechanical properties in selective laser fusion products” (Agreement № . 23-29-00433 dated 01/13/2023) (https://rscf.ru/project /№ . 23-29-00433/)., A.Ya. Kanel-Belov was supported by the grant of the Russian Academy of Sciences 22-19-20073 “Comprehensive investigation of the possibility of using self-locking structures to increase the rigidity of materials and structures” (https://rscf.ru/project/№ 22-19-20073). He owns only the setting tasks section.ReferencesПопович А.А., Суфияров В.Ш., Борисов Е.В., Полозов И.А., Масайло Д.В., Григорьев А.В. Анизотропия механических свойств изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления порошковых материалов//Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2016. – Вып. 3. – С. 4 – 11.Popovich A.A., Sufiyarov V.Sh., Borisov E.V., Polozov I.A., Masailo D.V., Grigoriev A.V. 2016, “Anisotropy of mechanical properties of products manufactured by selective laser melting of powder materials”, News of universities. Powder metallurgy and functional coatings. - Issue 3. – pp. 4-11.Simonelli M., Tse Y.Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the Mechanical Properties and Fracture Modes of SLM Ti-6Al-4V// Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 616. Pp. 1-11.Simonelli M., Tse Yu.Yu., Tuk S. 2014, “Influence of assembly orientation on mechanical properties and failure modes of SLM Ti-6Al-4V”, Mater. of sciences. English A., vol. 616. pp. 1-11.Vroncken B., Thijs L., Kruth J.P., Van Hambeeck J. Microstructure and Mechanical Properties of novel 𝛽 titanium metallic composite by selective laser melting// Acta Mater. 2014/ Vol. 68. Pp. 150-158.Vronken B., Thijs L., Krut J.P., Van Hambeck J. 2014, “Microstructure and mechanical properties of a new metal composite of 𝛽-titanium by selective laser melting”, Acta Mater/vol. 68, pp. 150-158.Frazier W.E., Metal additive manufacturing // A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014. Vol. 23. No 6. Pp. 1917-1928.Fraser W.E., 2014, “Production of metal additives: a review”, J. Mater. Eng. Performance. Volume 23. No. 6. pp. 1917-1928.Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy// Mater.Sci. Eng.: A. 2016. Vol. 650. P. 295-299.Wu M.V., Lai P.H., Chen J.K. 2016, “Anisotropy of the toughness of Ti-6Al-4V alloy melted by a selective laser”, Mater.of sciences. English: A. vol. 650. pp. 295-299.Чуканов А.Н. Анизотропия деформации при послойном лазерном синтезе изделий // «Перспективные технологии и материалы». Матер. Всеросс. НПК с межд. уч., (Севастополь, 14–16.10.2020 г.), Научное изд. - Севастополь, СевГУ. 222с., С. 169 -174.Chukanov A.N. Anisotropy of deformation in layered laser synthesis of elements // «Promising technologies and materials. Mater. All-Russian. SPC with international studies”, (Sevastopol, 14-16.10.2020), Scientific publishing house - Sevastopol, SevSU. 222s., pp. 169 -174.Чуканов А.Н. Влияние ориентации изделий аддитивных технологий на их анизотропию деформации // Научные чтения им. чл.-корр. РАН И.А. Одинга «Механические свойства современных конструкционных материалов». - Москва. 17-18 сентября 2020 г./ Сб. матер. – М: ИМЕТ РАН, 2020, 194 с. С. 79-80. (http://odin.imetran.ru/)Chukanov A.N. 2020, “Influence of orientation of products of additive technologies on their deformation anisotropy”, Scientific readings named after chl.-corr. RAS I.A. Oding “Mechanical properties of modern structural materials”. - Moscow. September 17-18, 2020/ Sat. mater. – M: IMET RAS, 194 p. 79-80. (http://odin.imetran.ru /)Чуканов А.Н. Анизотропия физико-механических свойств при послойном лазерном синтезе // МНТК «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов», посвящ. 150-лет. со дня рожд. акад. А.А. Байкова: Сб. научн. статей (18.09.2020 г.)/ Юго-Зап. гос. ун-т. Курск: ЮЗГУ, 2020. - 271 с. - С. 244-247.Chukanov A.N. 2020, “Anisotropy of physico-mechanical properties in layered grain synthesis», ISTC “Modern problems and directions of development of metallurgy and heat treatment of metals and alloys”, dedicated. 150 years old. since the day of birth. Academician A.A. Baykova: Collection of scientific papers. articles (09/18/2020)/ South-West State University. Kursk: South Ural State University, - 271 p. - pp. 244-247.Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Свойства изделий, полученных селективным лазерным синтезом. 2. Изделия ячеистых структур // XIII-я МНТК «Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2021)», (20.11.2021 г.), Сб. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2021. С. 338-340.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V. 2021, “Sequence of actions obtained by selective laser synthesis. 2. Publishing of cellular structures», XIII ISTC “Modern automated systems and technologies (SAMIT-2021)”, (11.20.2021), Sat. stat., Kursk: Uygo-zap. State University, pp. 338-340.Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Свойства изделий, полученных селективным лазерным синтезом. 1. «Сплошные» изделия // XIII-я МНТК «Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2021)», (20.11.2021 г.), Сб. статей., Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2021. С. 341-346.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V, “Svyaz end obtained by selective laser synthesis. 1. Complex ed.”, XIII ISTC “Modern Information Technologies (SAMIT-2021)”, (11.20.2021), Sat. stat., Kursk: Uygo-zap. State University, 2021. pp. 341-346.Маттерона Ж. Случайные множества и интегральная геометрия. М.: Мир. 1978 год, 320 с.Matterona J. 1978, “Random sets and integral geometry”, Moscow: Mir, 320 p.Сантало Л. Интегральная геометрия и геометрические вероятности. М.: Наука, 1983, 360 с.Santalo L, 1983, “Integral geometry and geometric probabilities”, M.: Nauka, 360 p.Амбарцумян Р.В., Мекке Й., Штойян Д. Введение в стохастическую геометрию. М.: Наука, 1989, 400 с.Ambartsumyan R.V., Mekke Y., Shtoyan D. 1989, “Introduction to stochastic geometry”, Moscow: Nauka, 400 p.Sergeev N.N., Tereshin V.A., Chukanov A.N., Kolmakov A.G., Yakovenko A.A., Sergeev A.N., Leontiev I.M., Khonelidze D.M., Gvozdev A.E., Formation of plastic zones near spherical cavity in hardened low-carbon steels under conditions of hydrogen stress corrosion // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Т. 9. № 4. С. 663-669.Sergeev N.N., Tereshin V.A., Chukanov A.N., Kolmakov A.G., Yakovenko A.A., Sergeev A.N., Leontiev I.M., Honelidze D.M., Gvozdev A.E. 2018, “Formation of plastic zones near a spherical cavity in hardened low-carbon steels under stress corrosion by hydrogen”, Inorganic materials: applied research. vol. 9. No. 4. pp. 663-669.Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Математическое моделирование полей напряжений у стресс-коррозионных дефектов // Современные материалы, техника и технологии. 2021.- т.6 (39) -. С. 65 -70.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V. 2021, “Mathematical modeling of stress fields in stress-corrosion defects”, Modern materials, technique and technologies. -vol.6 (39) -. pp. 65-70.Hounsfield G.N. Computerized transverse axia scanning (tomography). Part 1: Description of system // British Journal of Radiology. – 1973. – № 46. – P. 1016–1022. DOI: 10.1259/0007-1285-46-552-1016Hounsfield G.N. 1973, “Computerized scanning of the transverse axis (tomography). Part 1: Description of the system”, British Journal of Radiology. - no. 46.– pp. 1016-1022. DOI:10.1259/0007-1285-46-552-1016Ketcham R.A., Carlson W.D. Acquisition, optimization and interpretation of X-ray computed tomographic imagery: applications to the geosciences // Computers & Geosciences – Special issue on three-dimensional reconstruction, modelling and visualization of geologic materials. – 2001. – Vol. 27, iss. 4. – P. 381–400. DOI: 10.1016/S0098-3004(00)00116-3Ketcham R.A., Carlson W.D. 2001, “Obtaining, optimization and interpretation of X–ray computed tomographic images: applications to Earth sciences”, Computers and Earth Sciences – Special issue dedicated to three–dimensional reconstruction, modeling and visualization of geological materials. - vol. 27, iss. 4.– pp. 381-400. DOI: 10.1016/S0098-3004(00)00116-3Van Geet M., Swennen R., Wevers M. Quantitative analysis of reservoir rocks by microfocus X-ray computerised tomography // Sedimentary Geology. – 2000. – № 132. – Р. 25–36. DOI: 10.1016/S0037-0738(99)00127-XVan Git M., Svennen R., Vevers M. 2000, “Quantitative analysis of reservoir rocks by microfocus X-ray computed tomography”, Sedimentary geology. —- no. 132. – Pp. 25-36. DOI: 10.1016/S0037-0738(99)00127-XЕременко Н.М., Муравьева Ю.А. Применение методов рентгеновской микротомографии для определения пористости в керне скважин [Электронный ресурс] // Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2012. – Т. 7, № 3. URL: https://ngtp.ru/rub/2/35_2012.pdf (дата обращения: 15.02.2015).Eremenko N.M., Muravyeva Yu.A. 2012, “Application of X-ray micromography methods for determining porosity in the core of wells”, Oil and gas Geology. Theory and practice. - vol. 7, no. 3. – URL: http://www.ngtp.ru/rub/2/35_2012.pdf (date of publication: 02/15/2015).Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. – М.: Техносфера, 2004. – 384 с.Brandon D., Kaplan U. 2004, “Microstructure of materials. Methods of research and control”, M.: Technosphere. – 384 p.Van Geet M., Swennen R., David P. Quantitative coal characterisation by means of microfocus X-ray computer tomography, colour image analysis and back scatter scanning electron microscopy // International Journal of Coal Geology. – 2001. – Vol. 46, iss. 1. – P. 11–25. DOI: 10.1016/S0166-5162(01)00006-4Van Git M., Svennen R., David P. 2001, “Quantitative characterization of coal using microfocus X-ray computed tomography, color image analysis and backscattering scanning electron microscopy”, International Journal of Coal Geology. – vol. 46, issue 1. – pp. 11-25. DOI: 10.1016/S0166-5162(01)00006-4Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Trans. Syst. Man. Cybern. 1979, 9, 62–66.Otsu, N. 1979, “A threshold selection method from gray-level histograms”, IEEE Trans. Syst. Man. Cybern., vol.9, pp. 62–66.Yasa, E.; Kruth, J.P. Microstructural investigation of Selective Laser Melting 316L stainless steel parts exposed to laser re-melting // Proced. Eng. 2011, 19, 389–395.Yasa, E.; Kruth, J.P. 2011, “Microstructural investigation of Selective Laser Melting 316L stainless steel parts exposed to laser re-melting”, Proced. Eng. vol. 19, pp. 389–395.Gustmann, T.; Neves, A.; K¨uhn, U.; Gargarella, P.; Kiminami, C.S.; Bolfarini, C.; Eckert, J.; Pauly, S. Influence of processing parameters on the fabrication of a Cu-Al-Ni-Mn shape-memory alloy by selective laser melting // Addit. Manuf. 2016, 11, 23–31.Gustmann, T.; Neves, A.; K¨uhn, U.; Gargarella, P.; Kiminami, C.S.; Bolfarini, C.; Eckert, J.; Pauly, S. 2016, “Influence of processing parameters on the fabrication of a Cu-Al-Ni-Mn shape-memory alloy by selective laser melting”, Addit. Manuf. - vol. 11, pp. 23–31.Marya, M.; Singh, V.; Marya, S.; Hascoet, J.Y. Microstructural Development and Technical Challenges in Laser Additive Manufacturing: Case Study with a 316L Industrial Part // Metall. Mater. Trans. B Process Metall. Mater. Process. Sci. 2015, 46, 1654–1665.Marya, M.; Singh, V.; Marya, S.; Hascoet, J.Y. 2015, “Microstructural Development and Technical Challenges in Laser Additive Manufacturing: Case Study with a 316L Industrial Part. Metall”, Mater. Trans. B Process Metall. Mater. Process. Sci. vol. 46, pp. 1654–1665.Liu, Z.H.; Zhang, D.Q.; Sing, S.L.; Chua, C.K.; Loh, L.E. Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Metallurgical diffusion between 316L stainless steel and C18400 copper alloy // Mater. Charact. 2014, 94, 116–125.Liu, Z.H.; Zhang, D.Q.; Sing, S.L.; Chua, C.K.; Loh, L.E. 2014, “Interfacial characterization of SLM parts in multi-material processing: Metallurgical diffusion between 316L stainless steel and C18400 copper alloy”, Mater. Charact. - vol. 94, pp. 116–125.Dadbakhsh, S.; Hao, S. Effect of Al alloys on selective laser melting behaviour and microstructure of in situ formed particle reinforced composites // J. Alloy. Compd. 2012, 541, 328–334.Dadbakhsh, S.; Hao, S. 2012, “Effect of Al alloys on selective laser melting behaviour and microstructure of in situ formed particle reinforced composites”, J. Alloy. Compd. vol. no 541, pp. 328–334.Sames, W.J.; List, F.A.; Pannala, S.; Dehoff, R.R.; Babu, S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing // Int. Mater. Rev. 2016, 6608, 1–46.Sames, W.J.; List, F.A.; Pannala, S.; Dehoff, R.R.; Babu, S.S. 2016, “The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing”, Int. Mater. Rev. vol. 6608, pp. 1–46.Frazier, W.E. Direct digital manufacturing of metallic components: Vision and roadmap // In Proceedings of the 21st Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA, 9–11 August 2010; pp. 717–732.Frazier, W.E. 2010, “Direct digital manufacturing of metallic components: Vision and roadmap”, In Proceedings of the 21-st Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA, 9–11 August pp. 717–732.King, W.E.; Barth, H.D.; Castillo, V.M.; Gallegos, G.F.; Gibbs, J.W.; Hahn, D.E.; Kamath, C.; Rubenchik, A.M. Observation of keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing // J. Mater. Process. Technol. 2014, 214, 2915–2925.King, W.E.; Barth, H.D.; Castillo, V.M.; Gallegos, G.F.; Gibbs, J.W.; Hahn, D.E.; Kamath, C.; Rubenchik, A.M. 2014, “Observation of keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing”, J. Mater. Process. Technol. 214, 2915–2925.K¨orner, C.; Bauereiß, A.; Attar, E. Fundamental consolidation mechanisms during selective beam melting of powders // Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 2013, 21, 1–18.K¨orner, C.; Bauereiß, A.; Attar, E. 2013, “Fundamental consolidation mechanisms during selective beam melting of powders”, Model. Simul. Mater. Sci. Eng, vol. 21, pp. 1–18.Zhong, Y.; Liu, L.; Wikman, S.; Cui, D.; Shen, Z. Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting // J. Nucl. Mater. 2016, 470, 170–178.Zhong, Y.; Liu, L.; Wikman, S.; Cui, D.; Shen, Z. 2016, “Intragranular cellular segregation network structure strengthening 316L stainless steel prepared by selective laser melting”, J. Nucl. Mater. vol. 470, pp. 170–178.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.