基于多重分形特征的杂散电流干扰下氢脆机理定量解析新方法

本文创新性地采用扫描电镜(SEM)结合多重分形理论，系统研究了Q235管线钢在杂散电流干扰下的氢脆(HE)断裂形貌特征。通过构建谱宽Δα与广义维数阈值宽度ΔDq的新型联合参数，实现了氢致断裂表面粗糙度与均匀性的高精度表征，为现场评估管线氢脆敏感性提供了创新性技术路径。

　　

Highlight

本研究突破性地将多重分形理论应用于杂散电流干扰下的氢脆(HE)研究，通过扫描电镜(SEM)捕获Q235管线钢在不同缺陷面积和环境pH值条件下的氢致断裂形貌。创新提出结合谱宽Δα与广义维数阈值宽度ΔD_q的双参数分析方法，为氢脆断裂表面的定量表征建立了新范式。

Methodology

采用多重分形谱f(α)-α和广义分形维数D(q)-q构建分析框架（图6）。通过盒计数法计算奇异指数α(q)和分形谱f(α)，同时采用Rényi维数推导广义分形维数D(q)，建立断裂表面概率分布与氢脆进程的定量关联。

Microstructural morphology of specimen fracture

图8显示随着杂散电流密度增加（pH=3，无缺陷试样），断裂形貌从准解理断裂向解理断裂转变，出现明显河流花样和二次裂纹。当电流密度达50mA/cm²时，断裂表面呈现典型冰糖状形貌，揭示氢原子渗透导致的脆性断裂特征。

Relationship between multifractal spectra and HE susceptibility

基于慢应变速率拉伸(SSRT)实验数据，氢脆敏感性系数F_H与Δα、ΔD_q呈显著负相关（R²>0.92）。多重分形参数能有效表征从韧性到脆性断裂转变过程中的能量吸收效应，其中ΔD₃对pH值变化的灵敏度达87.6%。

Conclusions

研究证实：1）氢致断裂表面具有显著自相似性和多重分形特征；2）Δα与ΔD_q的协同分析可精准评估氢脆风险等级；3）建立的方法体系为现场筛查管线氢脆损伤提供了无需复杂实验的新策略。