Method for studying the porosity of fluid phase samples by X-ray computed tomography under uniaxial compression

The development of composite materials and products with a complex internal structure poses questions to develop experimental methods to determine the stress-strain state. Standard experimental methods do not provide a broad picture of the internal changes in the inhomogene-ous samples under loading. Moreover, a presence of internal defects, porosity, local buckling can significantly effect on the obtained results. Despite the development of tomography and data processing methods most studies are performed without any external loading on sample. The research presents a methods for studying the porosity of samples under uniaxial compression using an X-ray computed tomography. For this purpose, special equipment that allows loading the sample inside the tomography was made. Additionally, a methodology was developed. The equipment allows not only to transfer the axial compression force, but also to measure the corre-sponding load value. The equipment was designed to reduce artifactual rays in a place where studied sample mounted. To determine the reference points under loading, a contrasting copper grid was used. A modified Harris detector was used to quantify the displacements. The dis-placements of the reference points were interpolated to a regular initial grid to estimate the dis-placements inside the sample. Test samples were designed and manufactured using additive technologies to illustrate the methodology. A series of loadings and tomography scans were carried out for each sample. The tomography data were processed according to the methodolo-gy. As a result, the displacement fields of the samples, the values of porosity, volumetric strain and their distribution over the sample for each loading step were obtained.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ ОБРАЗЦОВ С ЖИДКОСТЬЮ РЕНТГЕНОВСКИМ КОМПЬЮТЕРНЫМ ТОМОГРАФОМ ПРИ ОДНООСНОМ СЖАТИИ

Развитие композиционных материалов и изделий со сложной внутренней структурой ставит во-прос об использовании экспериментальных методов для определения напряженно-деформированного состояния. Стандартные экспериментальные методы, применяемые к образцам с негомогенной внут-ренней структурой, не позволяют получить полную картину о внутренних изменениях материала при нагружении. А наличие внутренних дефектов, пористости, а также локальная потеря устойчивости могут значительным образом повлиять на получаемые результаты. Несмотря на развитие как самих томо-графов, так и методов обработки данных, большинство исследований над образцами производятся встатике, то есть без приложения внешней нагрузки. В данном исследовании представлена методика исследования пористости образцов рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии. С этой целью была изготовлена специальная оснастка, позволяющая нагружать образец внутри томо-графа, отдельно была разработана методика проведения испытаний. Оснастка позволяет не только передавать осевое усилие сжатия, но и фиксировать соответствующую величину нагрузки. Область размещения исследуемого образца обладает большой рентгенологической просветностью, что умень-шает артефактное излучение. Для определения реперных точек при нагружении использовалась кон-трастная медная сетка. Для количественной оценки перемещений применен модифицированный детек-тор Харриса. Для оценки перемещений внутри образца перемещения реперных точек интерполирова-лись на регулярную начальную сетку. Для иллюстрации методики были спроектированы и изготовленыс помощью аддитивных технологий образцы для испытаний. Проведены серии нагружений и сканиро-ваний томографом для двух образцов: сплошной и образец со сфероидальными порами с жидкостью. Данные томографии обрабатывались согласно разработанной методике. В результате были получены поля перемещений образцов, величины пористости, объемной деформации и их распределение по образцу для каждого шага нагружения. Определено возрастание величины пористости при нагружении образца со сфероидальными порами с жидкостью. Предложена гипотеза, что при нагружении объемпоры с жидкостью остается постоянным, но объем материала вокруг поры уменьшается. С целью про-верки данной гипотезы был проведен анализ объемной деформации.