鋁合金加速腐蝕形貌灰度特征提取方法

穆志韜，蘇維國，葉 彬

（1.海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041；2.洪都航空工業(yè)股份有限公司650 所，南昌 330024）

腐蝕圖像中蘊(yùn)涵著大量的腐蝕信息，是腐蝕數(shù)據(jù)的重要來源之一。腐蝕圖像直觀地記錄著腐蝕發(fā)生的區(qū)域、蝕坑的分布情況、蝕坑形狀，以及腐蝕的嚴(yán)重程度等豐富的腐蝕信息，對腐蝕圖像進(jìn)行深入分析，可以從中獲取有用的腐蝕信息，提取出腐蝕形貌的特征參數(shù)，有助于進(jìn)行腐蝕知識的挖掘加工[1-5]。D.Itzhak 等用圖像方法研究了AISI304 不銹鋼在50°C時10%的FeCl3溶液中浸泡20 min 產(chǎn)生的腐蝕圖像[6]。圖像是用掃描儀直接掃描腐蝕材料照片得到的，然后將所得的圖像進(jìn)行二值化處理，統(tǒng)計(jì)整個試樣表面不同大小的蝕坑數(shù)，定義并定量計(jì)算試樣的點(diǎn)蝕率為9.73%。M.J.Quin 等將圖像分析技術(shù)用于研究局部腐蝕過程，采用金相分析和圖像分析相結(jié)合的方法得到了確定點(diǎn)蝕深度和幾何形狀的方法，通過對蝕孔深度分布與腐蝕區(qū)域之間關(guān)系的定量分析得到了蝕坑的三維分布圖[7]。孔德英等采用圖像掃描方法獲取碳鋼、低合金鋼實(shí)海試片的腐蝕形貌圖像并進(jìn)行圖像分析，用灰度關(guān)聯(lián)及典型相關(guān)技術(shù)分析了圖像灰度值分布與試樣單位面積平均失重及局部腐蝕平均深度的關(guān)系[3]。宋詩哲、王守琰等運(yùn)用小波圖像變換的方法建立了基于圖像識別技術(shù)研究有色金屬大氣腐蝕早期行為的研究方法，用掃描儀獲取試樣的大氣腐蝕形貌圖像，采用連續(xù)小波變換對圖像進(jìn)行分解并提取能量值作為特征信息，研究了圖像特征值和試樣腐蝕失重?cái)?shù)據(jù)之間的相關(guān)性[8-9]。蘇潤西、宋詩哲[9]建立了基于恒電位的原位圖像采集系統(tǒng)和測試方法，對304 不銹鋼恒電位過程圖像進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在蝕坑出現(xiàn)過程中圖像的灰度變化與蝕坑的產(chǎn)生和發(fā)展有著直接關(guān)系[10]。

研究者的工作表明，腐蝕形貌圖像可以用來表征和分析腐蝕損傷行為，圖像中灰度值的分布和變化與腐蝕損傷的形式和程度有著密切關(guān)系，而用腐蝕圖像的灰度統(tǒng)計(jì)特征值來描述金屬材料腐蝕形貌特征的研究在國內(nèi)外鮮見報(bào)道。本文結(jié)合LY12CZ航空鋁合金材料在EXCO溶液中加速腐蝕試驗(yàn)，利用現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)，對圖像進(jìn)行一系列預(yù)處理，還原材料的本來腐蝕形貌，以試驗(yàn)件表面平均亮度、平均對比度、平滑度、第3階矩、一致性、熵6個典型的灰度矩陣統(tǒng)計(jì)特征值為參數(shù)，研究鋁合金材料加速腐蝕形貌演化的規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)件材料為LY12CZ，屬Cu-Mg-Mn 系鋁合金，成分見表1。試驗(yàn)件尺寸為75 mm×40 mm×3 mm板材，試件在試驗(yàn)前進(jìn)行如下預(yù)處理：

1)除包鋁層：按HB 5455-90 標(biāo)準(zhǔn)，去除厚度為理論包鋁層厚度的兩倍；

2)表面清潔：用3%金屬清洗劑除油，用150#、360#水砂紙進(jìn)行打磨；

3)封樣：采用可剝性氯丁橡膠密封非實(shí)驗(yàn)面。為確保封樣質(zhì)量，應(yīng)涂2～3 遍膠，封樣前應(yīng)貼上試件標(biāo)號。

表1 LY12CZ 化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)要求及程序

1)試驗(yàn)采用HB 5455-90 標(biāo)準(zhǔn)對試件全浸試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液為EXCO 標(biāo)準(zhǔn)溶液；

2)試驗(yàn)流程：試樣預(yù)處理→浸泡試驗(yàn)→表面形貌采集；

3)浸泡周期分別為：24 h，48 h，72 h，120 h，168 h，240 h；

4)浸泡試驗(yàn)參照HB 5455-90 進(jìn)行，EXCO溶液配方：NaCl為234 g/L，KNO3為50 g/L，HNO3為6.5 g/L。

試件在腐蝕溶液中不同浸泡周期的典型表面腐蝕形貌如圖1所示。

圖1 LY12CZ鋁合金在EXCO溶液中的表面腐蝕形貌

2 腐蝕圖像處理及灰度特征提取

2.1 腐蝕圖像預(yù)處理

腐蝕圖像的質(zhì)量嚴(yán)重影響腐蝕信息的完整和準(zhǔn)確。因此，腐蝕圖像采集完畢后，需要對圖像進(jìn)行圖像數(shù)字化、中值濾波、灰度變換、模糊增強(qiáng)一系列預(yù)處理，才能進(jìn)行圖像灰度統(tǒng)計(jì)特征值提取。試驗(yàn)結(jié)果表明，針對LY12CZ鋁合金材料腐蝕圖像，5×5像素點(diǎn)大小窗口的中值濾波可以有效地濾除圖像采集過程中產(chǎn)生的噪聲信號，線性灰度變化能顯示圖像中需要的圖像細(xì)節(jié)，而二次簡單模糊增強(qiáng)則是一種有效的使圖像腐蝕特征明顯顯現(xiàn)的方法。

2.2 腐蝕灰度圖像

LY12CZ鋁合金材料在EXCO溶液加速腐蝕不同時間的圖像經(jīng)過預(yù)處理后，以灰度圖像形式存儲在計(jì)算機(jī)中。在灰度圖像的數(shù)字矩陣中，每個像素點(diǎn)所對應(yīng)的灰度值為0～255，即共256個灰度級。其中，0代表黑色，255代表白色，1～254分別代表黑色到白色之間的各級過渡色(灰色)。如圖2所示為加速腐蝕72 h時預(yù)處理后的灰度圖像及對應(yīng)的數(shù)字矩陣。

圖2 鋁合金腐蝕灰度圖像及對應(yīng)的數(shù)字矩陣

觀察分析發(fā)現(xiàn)，鋁合金材料基體呈淺色，表面分布許多灰黑色蝕坑，數(shù)字矩陣中每個像素點(diǎn)的灰度值都在0～255之間，灰度的最小值為22，屬于蝕坑區(qū)域，最大值為155，為基體材料。因此，對腐蝕灰度圖像而言，圖像中的某一像素點(diǎn)的灰度值的大小反映了該點(diǎn)的腐蝕程度，灰度值越小，表明試樣上該點(diǎn)的腐蝕越嚴(yán)重，說明產(chǎn)生的蝕坑的深度越大；而灰度值越大，則表明該點(diǎn)的腐蝕越輕微，或者沒有腐蝕。腐蝕圖像灰度值的大小分布不僅是灰度級的體現(xiàn)，而且也反映了鋁合金材料表面腐蝕的基本狀況。因此，可以通過灰度的變化特點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)特征來分析腐蝕形貌和腐蝕損傷的程度。

2.3 腐蝕圖像灰度特征值提取

數(shù)字化的腐蝕圖像中蘊(yùn)含的腐蝕信息是以數(shù)據(jù)的形式存在的，其實(shí)質(zhì)是一個連續(xù)的二維函數(shù)f (x,y)，該函數(shù)被離散為M×N的矩陣。其灰度統(tǒng)計(jì)值是一個一維離散函數(shù)，表示為：

式(1)中：zi為腐蝕圖像f (x,y)的第i級灰度值；ni為腐蝕圖像f (x,y)中具有灰度值zi的像素點(diǎn)的個數(shù)；n為腐蝕圖像f (x,y)中像素點(diǎn)總個數(shù)；p (zi)為第i級灰度值出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)。

因此，腐蝕圖像f (x,y)的平均亮度采用灰度均值m 來度量：

腐蝕圖像f (x,y)的平均對比度采用灰度標(biāo)準(zhǔn)偏差σ 來度量：

腐蝕圖像f (x,y)的平滑度為區(qū)域中亮度的相對平滑度。對于常量區(qū)域，R 等于0；對于灰度級的值有較大偏差的區(qū)域，R 等于1。腐蝕圖像f (x,y)的平滑度表達(dá)式為：

腐蝕圖像f (x,y)的第3階矩為直方圖的對稱性的度量。若直方圖是對稱的，則度量為0；若度量值為正值，則直方圖向右偏斜。若度量值為負(fù)值，則直方圖向左偏斜。腐蝕圖像f (x,y)的三階矩表達(dá)式為：

腐蝕圖像f (x,y)的一致性為：

當(dāng)腐蝕圖像f (x,y)的灰度值相等時，一致性取最大值。

腐蝕圖像f (x,y)的熵為：

腐蝕圖像f (x,y)的熵為腐蝕圖像灰度值的隨機(jī)性度量。

3 分析與討論

腐蝕區(qū)域中像素灰度值及其局部變化的空間分布屬性可以用灰度圖像的數(shù)字矩陣來表示，而用圖像的局部統(tǒng)計(jì)特征能較好地刻畫不同腐蝕圖像的差異。以6個典型的灰度矩陣特征值為參數(shù)：平均亮度、平均對比度、平滑度、第3階矩、一致性、熵，表征腐蝕損傷的特征。利用式(2)～(7)計(jì)算出不同加速腐蝕時間的腐蝕灰度圖像的統(tǒng)計(jì)特征值，如表2所示。

表2 不同加速腐蝕時間腐蝕圖像灰度矩陣特征提取

圖3所示為各浸泡周期的典型斷面腐蝕形貌。

試驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，試件大約浸泡2.5 h時表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕，由于蝕坑數(shù)目較少，蝕坑面積較小，溶液中腐蝕性離子不容易進(jìn)入蝕坑，試驗(yàn)件表面仍比較光滑，腐蝕相對比較緩慢；20 h 之后，新的蝕坑不斷出現(xiàn)，并且蝕坑面積不斷增加，大量的腐蝕介質(zhì)進(jìn)入蝕坑，腐蝕坑外的氯離子等陰性離子不斷向蝕坑內(nèi)遷移、富集，使得蝕坑內(nèi)溶液的腐蝕性增強(qiáng)腐蝕速率加快，腐蝕加劇。48 h后試樣表面有明顯鼓泡，裂開并出現(xiàn)剝蝕；之后，隨浸泡時間的延長，鼓泡增大、破裂增多，并出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物，表層金屬呈片狀剝落；浸泡72 h后，晶間腐蝕深度明顯增大，沿晶裂紋增多，蝕坑周圍出現(xiàn)晶粒剝落；120 h后，大量的腐蝕產(chǎn)物阻礙了腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散和溶液對流，形成閉塞電池，腐蝕向金屬內(nèi)部縱深發(fā)展，腐蝕又變得相對平緩。在試件斷面上，可以見到明顯的層狀開裂，在蝕坑周圍，還出現(xiàn)拱橋形的層狀翹起，腐蝕形貌變得越來越復(fù)雜。

圖3 不同浸泡時間的典型斷面腐蝕形貌

圖4顯示了平均亮度隨加速腐蝕時間的變化規(guī)律，圖5顯示了第3階矩隨加速腐蝕時間的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，平均亮度即腐蝕圖像灰度均值隨著腐蝕時間的增加逐漸變小，第3階矩由負(fù)變正，說明灰度直方圖由左偏斜變?yōu)橄蛴移保移备螅f明試件表面的顏色逐漸加深，腐蝕越來越嚴(yán)重。

圖4 平均亮度隨腐蝕時間變化圖

圖5 第3階矩隨腐蝕時間變化圖

圖6顯示了平均對比度隨加速腐蝕時間的變化規(guī)律，說明腐蝕圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)偏差隨加速腐蝕時間逐漸變大。

圖6 平均對比度隨腐蝕時間變化圖

圖7顯示了平滑度隨加速腐蝕時間的變化規(guī)律，分析發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕時間的增加，腐蝕圖像灰度值偏差越來越大。因?yàn)殡S著加速腐蝕時間的增加，蝕坑逐漸變大變深，腐蝕圖像的視覺對比度越來越大。圖8和圖9分別顯示了一致性和熵值隨加速腐蝕時間的變化規(guī)律，變化趨勢說明腐蝕圖像灰度值漸漸趨于分散，熵值的增加也證明灰度值的隨機(jī)性在逐漸增加，腐蝕形貌越來越復(fù)雜。

圖8 一致性隨腐蝕時間變化圖

圖9 熵值隨腐蝕時間變化圖

4 結(jié)論

1)對于金屬材料腐蝕形貌圖像而言，灰度值的大小分布不僅是灰度級的體現(xiàn)，而且也反映了金屬材料表面腐蝕的基本狀況，灰度值越小，表明試樣上該點(diǎn)的腐蝕越嚴(yán)重。

2)鋁合金加速腐蝕灰度統(tǒng)計(jì)特征值隨著腐蝕時間的增加呈現(xiàn)規(guī)律性變化，平均亮度、一致性隨腐蝕時間的增加而減少，而平均對比度、相對平滑度、第3階矩、熵隨腐蝕時間的增加而增加，腐蝕圖像灰度值逐漸變小并趨于分散，隨機(jī)性在逐漸增加，偏差越來越大，這也證明隨著腐蝕時間的增加，試件表面蝕坑逐漸變大變深，腐蝕越來越嚴(yán)重，腐蝕形貌越來越復(fù)雜。

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