無損檢測技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色,廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、汽車等領(lǐng)域[1-2]。近年來,超聲檢測技術(shù)在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展[3-4]。作為一種無損獲取材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的手段,超聲檢測已被廣泛應(yīng)用于評估材料的微觀組織結(jié)構(gòu)和缺陷。傳統(tǒng)超聲檢測方法通常依賴經(jīng)驗公式和物理模型來解釋和重建材料內(nèi)部的幾何特征,如晶粒大小、圓度及長短軸比等參數(shù),但這些數(shù)值化信息忽略了材料內(nèi)部的空間分布和微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,尤其是生成模型如生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）、變分自編碼器（VAE）及擴(kuò)散模型（DM）[5]的出現(xiàn),使微觀組織結(jié)構(gòu)的智能生成成為可能。這些深度學(xué)習(xí)模型能夠基于累積的材料數(shù)據(jù)自動生成高度逼真的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。近年來的研究表明,GAN和條件GAN（CGAN）在微結(jié)構(gòu)圖像重構(gòu)中表現(xiàn)優(yōu)異[6-7]。此外,擴(kuò)散生成模型在處理各種類型的微觀結(jié)構(gòu)圖像時也展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能[8]。

為探討基于超聲評價數(shù)據(jù)和擴(kuò)散生成模型的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像生成方法,提出了一種智能生成方法,結(jié)合已知的合金超聲檢測數(shù)據(jù)和材料的幾何特征,通過擴(kuò)散生成模型實現(xiàn)復(fù)雜合金材料的微觀組織圖像重構(gòu)。筆者利用超聲檢測所獲取的晶粒尺寸、圓度、長短軸比等參數(shù),通過擴(kuò)散生成模型生成逼真的二維虛擬金相圖。相比傳統(tǒng)的超聲數(shù)據(jù)分析方法,擴(kuò)散生成模型通過大規(guī)模數(shù)據(jù)集訓(xùn)練,可以更準(zhǔn)確地學(xué)習(xí)復(fù)雜材料的微觀組織特征,進(jìn)而生成高精度的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。

擴(kuò)散生成模型的優(yōu)勢在于逐步學(xué)習(xí)微觀圖像的概率分布,并通過降噪過程重構(gòu)清晰的結(jié)構(gòu)圖像,因而其在處理高復(fù)雜度的微觀組織結(jié)構(gòu)時表現(xiàn)突出。結(jié)合超聲檢測數(shù)據(jù),擴(kuò)散生成模型能夠有效預(yù)測材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),并生成相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)圖像,為材料性能預(yù)測和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供精準(zhǔn)的參考。

筆者首次將超聲評價數(shù)據(jù)與擴(kuò)散生成模型結(jié)合,用于GH4169合金材料的微觀組織圖像重構(gòu)。試驗結(jié)果表明,擴(kuò)散生成模型在微觀組織結(jié)構(gòu)圖像生成中表現(xiàn)出性能優(yōu)越,其與超聲數(shù)據(jù)融合具有可行性和準(zhǔn)確性。該方法為超聲檢測技術(shù)在復(fù)雜材料微觀組織分析中的應(yīng)用開辟了新路徑。

1. 基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的微觀組織結(jié)構(gòu)生成方法

在利用超聲評價數(shù)據(jù)和累積數(shù)據(jù)進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)重構(gòu)時,首要任務(wù)是選擇適合的圖像生成模型。為此,評估不同生成模型的性能,以確定最能捕捉圖像庫統(tǒng)計特征的最佳模型至關(guān)重要。最終選定的模型將與超聲評價數(shù)據(jù)融合,以約束和引導(dǎo)生成過程,從而提升生成結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

在深度生成模型中,GAN（生成對抗網(wǎng)絡(luò)）、VAE（變分自編碼器）和DM（擴(kuò)散模型）是3類主要的模型。GAN通過生成器生成樣本,并由判別器進(jìn)行對抗學(xué)習(xí)提升樣本質(zhì)量。VAE通過編碼器將數(shù)據(jù)壓縮為隱空間表示,再由解碼器還原數(shù)據(jù),并通過最大化證據(jù)下界（ELBO）優(yōu)化模型。DM則逐步向數(shù)據(jù)添加噪聲再通過逆過程去除噪聲,以恢復(fù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其中去噪擴(kuò)散概率模型（DDPM）優(yōu)化了采樣效率和生成效果[9]。

1.1 SA_GAN模型

為了重構(gòu)GH4169合金的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像,文章使用結(jié)合自注意力機(jī)制的SA_GAN模型來學(xué)習(xí)圖像數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計特征。該模型通過生成器和判別器中的自注意力模塊,有效捕捉遠(yuǎn)距離區(qū)域的關(guān)系,生成更細(xì)膩且真實感更強(qiáng)的微觀結(jié)構(gòu)圖像。自注意力模塊使得生成器在處理局部細(xì)節(jié)和全局結(jié)構(gòu)時更為高效,從而能提升生成效果。

1.2 VQ_VAE模型

文章還采用VQ-VAE模型[10]進(jìn)行GH4169合金微觀組織圖像的重構(gòu)。該模型通過將圖像的連續(xù)特征量化為離散嵌入向量,實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮與重構(gòu)。VQ-VAE由編碼器、量化器和解碼器組成,編碼器將圖像編碼為隱變量,量化器將其映射到離散嵌入空間,解碼器則用這些嵌入向量重構(gòu)圖像。在訓(xùn)練過程中,通過最小化重構(gòu)損失和承諾損失函數(shù)來優(yōu)化模型。此外,模型采用自回歸先驗對隱變量進(jìn)行采樣,進(jìn)一步提升微觀組織結(jié)構(gòu)的生成質(zhì)量。

1.3 MDiff模型

為對GH4169合金微觀組織結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行擴(kuò)散生成方法的重構(gòu),文章還借鑒IDDPM[11],訓(xùn)練了針對微觀組織結(jié)構(gòu)生成的MDiff模型。MDiff模型通過學(xué)習(xí)微觀組織圖像的統(tǒng)計特征,能夠生成高質(zhì)量的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。

MDiff模型的基本思想是通過加噪和去噪的過程逐步生成數(shù)據(jù)。首先,數(shù)據(jù)通過一個參數(shù)化的馬爾可夫鏈不斷添加噪聲,使其分布逐漸趨于高斯分布。而后在生成階段,模型通過反向擴(kuò)散過程逐步去噪,以恢復(fù)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。該模型將去噪視為高斯分布的回歸問題,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)U-Net預(yù)測均值和方差來完成生成。MDiff模型架構(gòu)如圖1所示。

圖 1MDiff模型架構(gòu)示意

2. 模型對比試驗與結(jié)果

試驗通過學(xué)習(xí)GH4169合金真實二維微觀組織結(jié)構(gòu)圖像庫,利用VQ-VAE、SA-GAN和MDiff三種模型生成了1 000張尺寸為256像素×256像素（長×寬）的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。不同生成模型的圖像生成效果如圖2所示。

圖 2不同生成模型的圖像生成效果

可以看出,VQ-VAE模型未能有效學(xué)習(xí)微觀組織中晶粒的完整性特征,生成圖像中的晶粒結(jié)構(gòu)較為破碎,無法還原晶粒的清晰邊界。相比于VQ-VAE,SA-GAN模型在晶粒結(jié)構(gòu)的細(xì)化表現(xiàn)上仍顯不足,未能完全再現(xiàn)原始圖像的清晰度。MDiff模型在晶粒形貌的學(xué)習(xí)上更加精確,生成的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像在晶粒形態(tài)和晶界特征方面與原始微觀組織圖像更為一致,即該模型較好地保留了晶粒的完整性和晶界的清晰度。

為進(jìn)一步驗證這3種模型在生成微觀組織圖像上的性能,筆者采用一系列評價指標(biāo)對模型訓(xùn)練效果的分布一致性進(jìn)行定量評估。這些指標(biāo)包括：結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)（SSIM）[12]、峰值信噪比（PSNR）[13]、學(xué)習(xí)感知塊相似度（LPIPS）[14]、弗雷歇爾距離（FID）以及核距離（KID）。

不同生成模型生成圖像質(zhì)量的評價結(jié)果如表1所示。分析顯示,SA_GAN模型在SSIM和FID等指標(biāo)上的表現(xiàn)較差,無法有效還原真實微觀組織的結(jié)構(gòu)。晶粒形貌分析表明,該模型生成的晶粒形狀較為失真。相比SA_GAN模型,VQ_VAE模型在清晰度上有所提升,但在FID和KID上仍未能達(dá)到較高水平,晶粒邊界模糊導(dǎo)致晶粒形貌分析結(jié)果不理想。MDiff模型在所有定量指標(biāo)上表現(xiàn)優(yōu)異,尤其是在FID和KID指標(biāo)上,最接近真實數(shù)據(jù)。

綜上所述,MDiff模型在視覺效果和定量評價指標(biāo)上均表現(xiàn)優(yōu)異,能夠有效地模擬GH4169合金微觀組織結(jié)構(gòu)的真實特征。

3. 基于超聲評價的擴(kuò)散生成方法

研究表明擴(kuò)散生成模型能夠通過學(xué)習(xí)微觀組織的概率分布,逐步去噪,從而重構(gòu)高度逼真的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。為實現(xiàn)GH4169合金材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的非破壞性、高可靠性重構(gòu),文章提出了一種新的生成方法,即將超聲評價數(shù)據(jù)與擴(kuò)散生成模型相結(jié)合的方法。該方法基于超聲評價數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確幾何特征,結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型的強(qiáng)大生成能力,提供了一條智能化的微觀組織圖像生成路徑。所提基于超聲評價的擴(kuò)散生成模型框架如圖3所示。

圖 3基于超聲評價的擴(kuò)散生成模型框架

3.1 微觀組織結(jié)構(gòu)的超聲評價模型

超聲檢測技術(shù)能夠深入探測材料內(nèi)部,獲取重要的幾何信息,如晶粒的尺寸、圓度及長短軸比。這些參數(shù)精確反映了材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),是生成高保真度微觀組織結(jié)構(gòu)圖像的關(guān)鍵依據(jù)。通過構(gòu)建的多參數(shù)超聲評價模型[15],該模型結(jié)合超聲特征參數(shù)Y和真實幾何特征參數(shù)Xn,來獲取指定超聲特征參數(shù)輸入的超聲評價數(shù)據(jù)${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$。超聲評價數(shù)據(jù)為生成高保真微觀組織圖像提供了關(guān)鍵的幾何約束,確保生成結(jié)果與真實結(jié)構(gòu)在形態(tài)上的一致性。

筆者使用自建的超聲C掃描系統(tǒng)對GH4169合金試樣進(jìn)行超聲檢測,在數(shù)據(jù)采樣區(qū)域采集A掃信號,并提取超聲特征參數(shù)Y（縱波聲速Y1、衰減系數(shù)Y2以及頻率偏移Y3）。此外,筆者通過金相試驗獲取合金試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像,并采用圖像處理算法提取內(nèi)部的晶粒面積S,晶粒周長L以及晶粒長軸a,短軸b。由此計算真實幾何特征參數(shù)Xn,包括晶粒尺寸X1（${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}\sqrt{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">/</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$）,圓度X2（${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">4</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">π</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">/</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}$）和長短軸比X3（X3=a/b）[16]。

超聲特征參數(shù)通過二次多項式映射函數(shù)轉(zhuǎn)換為單維超聲參數(shù)Z,使用單階最小二乘擬合方法,構(gòu)建單維參數(shù)與超聲評價數(shù)據(jù)${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$（晶粒尺寸${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$、圓度${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$、長短軸比${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">3</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$）的擬合函數(shù),從而得到超聲評價模型。其模型計算公式為

式中：λi1,λi2,λi3為映射參數(shù)；ξ1,ξ2為擬合參數(shù)。

為獲取最佳的映射參數(shù)以及擬合參數(shù),文章以真實幾何特征參數(shù)Xn與擬合獲取的超聲評價數(shù)據(jù)${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$之間的擬合誤差為優(yōu)化目標(biāo)。通過優(yōu)化目標(biāo)最小化獲取最佳精度的兩組參數(shù),誤差計算公式為

式中：m為總樣本數(shù)；Xnl為第l個樣本直實幾何特征參數(shù)；${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">*</span>}$為第l個樣本擬合獲取的超聲評價數(shù)據(jù)。

由此最終得到晶粒尺寸、圓度以及長短軸比的多參數(shù)超聲評價模型。

3.2 擴(kuò)散生成模型與超聲評價的融合

在擴(kuò)散生成模型中,超聲檢測提供的幾何約束數(shù)據(jù)起著關(guān)鍵作用,特別是在反向擴(kuò)散過程中,這些數(shù)據(jù)會直接影響生成圖像的每個去噪步驟,超聲評價作用下的反向擴(kuò)散過程示意如圖4所示。通過將晶粒尺寸、圓度和長短軸比等幾何特征數(shù)據(jù)注入模型的生成過程,擴(kuò)散模型能夠生成與實際材料微觀組織高度一致的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像。

圖 4超聲評價作用下的反向擴(kuò)散過程示意

在U-Net架構(gòu)的擴(kuò)散模型中,超聲評價數(shù)據(jù)通過條件卷積機(jī)制整合到模型中。在生成圖像的每一個去噪步驟中,超聲幾何數(shù)據(jù)通過卷積核對特征進(jìn)行調(diào)整。該數(shù)據(jù)通過專門的條件編碼器（τ）進(jìn)行處理后,將提取的幾何特征嵌入到U-Net的不同層次中。這些幾何信息作為額外的輸入通道,作用于卷積層的權(quán)重,使卷積操作不僅依賴于當(dāng)前的圖像特征,同時也受制于超聲檢測獲取的幾何參數(shù)。

在每一層的卷積過程中,超聲幾何數(shù)據(jù)通過調(diào)整卷積核的權(quán)重,影響特征提取的方向和強(qiáng)度。這種基于條件卷積的機(jī)制確保了擴(kuò)散模型在逐步去噪過程中生成的圖像細(xì)節(jié)與超聲檢測獲取的微觀組織特征相一致。卷積層通過卷積核的調(diào)整,能夠有效捕捉到晶粒形狀特征,從而使生成的圖像能夠更好地反映材料的真實微觀結(jié)構(gòu)。

通過這一機(jī)制,超聲檢測獲取的幾何數(shù)據(jù)在每個去噪步驟中與圖像的生成過程深度結(jié)合,確保了微觀組織結(jié)構(gòu)圖像的真實性和精度。這種卷積條件約束為擴(kuò)散生成模型提供了強(qiáng)大的控制能力,使得生成的微觀結(jié)構(gòu)圖像在細(xì)節(jié)和整體形態(tài)上都能符合實際材料的特性。

4. 基于超聲評價的擴(kuò)散生成試驗與結(jié)果

該試驗旨在驗證基于超聲評價的擴(kuò)散生成模型的效果,研究對象為經(jīng)過特定熱處理工藝的GH4169合金鍛件。首先,對GH4169合金原始鍛件按以下工藝進(jìn)行熱處理：在960 ℃下保溫60 min后空冷,溫度梯度為20 ℃；然后在720 ℃下保溫8 h,再以50 ℃·h−1的速率爐冷至620 ℃,最后保溫8 h后空冷。對熱處理后的合金試樣使用自建的超聲C掃描系統(tǒng)進(jìn)行超聲檢測,采集A掃描信號并提取關(guān)鍵超聲特征參數(shù),包括縱波聲速、衰減系數(shù)和頻率偏移。

根據(jù)現(xiàn)有的超聲評價方法,利用提取的超聲特征參數(shù)計算合金的超聲評價數(shù)據(jù),包括晶粒尺寸、圓度及長短軸比。將這些幾何數(shù)據(jù)作為輸入條件導(dǎo)入基于超聲評價的擴(kuò)散生成模型中,用于生成微觀組織結(jié)構(gòu)圖像；為了驗證生成的虛擬金相圖與真實微觀組織結(jié)構(gòu)在形貌上的一致性,筆者進(jìn)行了金相試驗并采集了合金的真實金相圖像（見表2）。

通過對比分析虛擬和真實微觀組織結(jié)構(gòu)圖像,可以發(fā)現(xiàn)虛擬生成的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像在晶粒形態(tài)和分布上與實際的微觀組織具有高度一致性,能夠達(dá)到以假亂真的效果。這表明,基于超聲評價的擴(kuò)散生成模型在生成與真實材料微觀結(jié)構(gòu)相似的微觀組織結(jié)構(gòu)圖像方面具有顯著的潛力。

為了進(jìn)一步驗證生成的虛擬微觀組織結(jié)構(gòu)圖像與超聲評價數(shù)據(jù)之間的一致性,筆者對擴(kuò)散生成模型生成的100張?zhí)摂M微觀組織結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行了定量分析。文章計算出各圖像的平均晶粒尺寸d、圓度m以及長短軸比r等幾何特征參數(shù),計算結(jié)果如表2所示。采用相對誤差衡量數(shù)據(jù)之間的差異,晶粒尺寸相對誤差計算公式為

式中：dg為生成圖像的晶粒尺寸；dr為真實圖像的晶粒尺寸。

其中圓度和長短軸比的相對誤差計算方式類似。

計算得到生成圖像的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與超聲檢測數(shù)據(jù)的相對誤差,晶粒尺寸的相對誤差為2.69%,圓度的相對誤差為2.27%,長短軸比的相對誤差為1.39%?？梢?基于超聲評價的微觀組織生成模型在輸入輸出環(huán)節(jié)的誤差較小,能夠?qū)崿F(xiàn)基于指定輸入數(shù)據(jù)的微觀組織圖像定制化生成。

進(jìn)一步對比生成的虛擬微觀組織圖像與真實金相試驗獲取的微觀組織圖像的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),結(jié)果顯示：晶粒尺寸的相對誤差為4.46%,圓度的相對誤差為3.78%,長短軸比的相對誤差為1.39%。這些結(jié)果進(jìn)一步證明,基于超聲評價數(shù)據(jù)的擴(kuò)散生成模型能夠精確生成與真實金相結(jié)構(gòu)幾何特征相匹配的虛擬二維微觀組織圖像。

綜上所述,該模型不僅能利用超聲評價的幾何數(shù)據(jù)有效約束生成過程,還能夠?qū)崿F(xiàn)對特定超聲檢測結(jié)果的虛擬微觀組織圖像的精確重構(gòu)。這種方法為材料微觀結(jié)構(gòu)的研究和表征提供了新的生成工具,在無需實際金相試驗的條件下,通過超聲評價結(jié)果即可生成高度逼真的虛擬微觀組織圖像,為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支持。

5. 消融試驗

為驗證晶粒尺寸d、圓度m以及長短軸比r數(shù)據(jù)在控制生成圖像中晶粒幾何形狀中的必要性,筆者設(shè)計了消融試驗。試驗內(nèi)容包括：① 不使用超聲評價參數(shù)控制生成；② 僅使用單個參數(shù)控制生成（晶粒尺寸、圓度和長短軸比）；③ 兩兩組合參數(shù)控制生成；④ 同時使用三個參數(shù)進(jìn)行控制。通過對比生成圖像與真實數(shù)據(jù)的誤差,評估各參數(shù)的影響,從而此三類參數(shù)在生成過程中的作用。

基于不同參數(shù)約束的消融試驗結(jié)果對比如表3所示,可見,不同約束條件下生成的圖像與真實幾何結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)之間的相對誤差存在顯著差異。無約束條件下的平均誤差最大,為17.39%；結(jié)合晶粒尺寸、圓度和長短軸比的完整約束條件下的誤差最小,平均值為9.163%。單獨(dú)使用某一約束條件時,晶粒尺寸的約束效果最好,誤差平均值為9.643%。

試驗結(jié)果表明,單一超聲評價結(jié)果不足以準(zhǔn)確控制生成圖像的幾何形態(tài)。綜合晶粒尺寸、圓度和長短軸比3個參數(shù)能夠有效約束生成過程,得到更接近真實組織結(jié)構(gòu)的虛擬微觀組織圖像,驗證了3類超聲評價結(jié)果在微觀組織圖像生成中的必要性和充分性。

6. 結(jié)論

提出了一種結(jié)合超聲評價和擴(kuò)散生成模型的二維虛擬微觀組織結(jié)構(gòu)圖像生成方法,并通過試驗驗證了其有效性。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法相比,該方法在結(jié)合超聲檢測提供的幾何約束數(shù)據(jù)后,能夠更準(zhǔn)確地重現(xiàn)合金材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果顯示,基于超聲評價數(shù)據(jù)的擴(kuò)散生成方法在晶粒尺寸、圓度和長短軸比的精度上具有顯著優(yōu)勢,生成的虛擬微觀組織結(jié)構(gòu)圖像在形貌分布上與真實微觀組織結(jié)構(gòu)圖像高度一致。定量分析表明,該方法在較小誤差范圍內(nèi)重構(gòu)了合金的幾何結(jié)構(gòu)特征,驗證了其在生成高精度虛擬微觀組織結(jié)構(gòu)圖像中的潛力。該研究為基于超聲評價數(shù)據(jù)的虛擬材料表征提供了新途徑,并為未來的材料微觀組織建模和虛擬試驗提供了參考。

文章來源——材料與測試網(wǎng)