Void tracking in SiC particle reinforced Al

Abstract

The expansion behavior of particulate reinforced AlSiC metal matrix composites (MMCs) during a thermal cycle shows anomalies at temperatures above 250°C, explained by viscoplastic matrix deformations and changing void volume fractions. Volumetric images of the sample acquired by synchrotron tomography at several temperatures between 30°C and 400°C are used to analyze the void kinetics. These high-resolution low-contrast 3D + T images are not aligned, thus only allowing quantitative comparisons over areas comprising many voids. Analysis of specic voids at various temperatures was not feasible, due to the three-dimensional misalignment.<br />We present a 3D registration approach based on mutual information that allows for sub-pixel accurate registration. A maximum intensity projection (MIP) may be used for a manual pre-alignment. Further software tools for the analysis of void kinetics of AlSiC provide linked views for 2D slices, 3D isosurfaces, volume rendering, as well as overlaid contours (isolines) of multiple images on an arbitrarily positionable cutting plane, and the calculation of a shape factor. By registering the volumetric datasets, we were able to visualize the shrinkage and expansion of a specific void during thermal cycling between room temperature and 400°C and to analyze the change of quantitative properties of specific voids - including volume, surface, shape factor - resulting from temperature changes.<br />

Das thermische Ausdehnungsverhalten von AlSiC, einem SiC-partikelverstärkten Aluminium-Matrix Verbundwerkstoff, zeigt Anomalien bei Temperaturen über 250°C. Diese erklären sich durch reversible elasto-plastische Verformung der Matrix in Kombination mit Porosität.<br />Volumetrische Bilddaten wurden durch Synchrotron-Tomographie während eines thermischen Zyklus zwischen 30°C und 400°C aufgenommen, um das Verhalten der Poren zu analysieren. Diese hochauflösenden 3D+T Bilder sind nicht aufeinander ausgerichtet, und erlauben dadurch nur einen quantitativen Vergleich über einen größeren Bereich mit einer Vielzahl an Poren. Der direkte Vergleich spezifischer Poren bei bestimmten Temperaturen war dadurch nicht möglich.<br />Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur 3D Bildregistrierung mittels Mutual Information, der subpixel-genaue Registrierung ermöglicht.<br />Unterstützend ist eine manuelle Vorausrichtung basierend auf einer Maximum-Intensitäts-Projektion (MIP) möglich.<br />Die entwickelte Software ermöglicht außerdem die Untersuchung der Porenkinetik durch gekoppelte Ansichten von 2D Schichten, 3D Oberflächen, Volumenrendering, sowie den Vergleich von Poren mittels überlagerter Konturen auf einer frei positionierbaren Schnittfläche und die Berechnung eines Formfaktors.<br />Durch die Registrierung konnten wir das Wachstum und das Schrumpfen einzelner Poren während eines Temperaturzyklus zwischen Raumtemperatur und 400°C visualisieren, sowie die Veränderung quantitativer Eigenschaften einzelner Poren bei Temperaturveränderungen anhand von Volumen, Oberfläche und Formfaktor zeigen.