Q335B-Z15钢冲击断口三维结构分形特征

作     者：王凤超 严春亮 曹胜利 张庆军 

作者机构：华北理工大学冶金与能源学院 华北理工大学综合测试分析中心 

出 版 物：《钢铁》 (Iron & Steel)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金—区域创新发展联合基金资助项目(U21A20114) 

主　　题：断口形貌 分形维数 多重分形谱 冲击功 温度 3D数码显微镜 显微结构 三维结构 

摘      要：分形理论用于描述材料的微观结构、表面形态、孔隙结构、裂纹扩展等复杂现象时，能够提供比传统几何学更精确的描述。为了研究不同温度下钢的冲击断口形貌变化规律与材料力学性能之间的关系，在不同温度(20、0、-10、-20、-30、-40 ℃)下对钢进行冲击试验得到断口试样；采用超景深3D数码显微镜采集冲击断口景深图、3D图及试样表面的三维坐标数据，利用立方覆盖法对冲击断口的三维数据值进行处理，计算断口表面的分形维数及多重分形谱，研究分析不同温度、不同冲击功条件下钢的冲击断口表面分形维数和多重分形谱的变化规律。研究表明，在-40～20 ℃的冲击断口分形维数为2.5～2.7，分形维数值越大，意味着断口表面形貌越复杂；在多重分形谱中，概率较小（起伏程度较大）的子集对应的右半部分所占比例大，反映了韧性区域大于脆性区域，说明Q335B-Z15钢的韧性较好；钢的冲击断口呈现出复杂的多重分形特征，具有一定的自相似性。多重分形谱呈左开口凸曲线，形态上呈现单峰左钩形。在温度降低时，谱宽变窄，表面波动减少，逐渐变得平滑；而当冲击功增大时，谱宽扩大，表面波动增大，形貌变得更加粗糙，多重分形谱可更有效地表征钢材断口表面形貌变化。通过对断口的三维形态表征与性能的关系，弥补二维结构数据在断口分形特征研究方面的不足，为解析复杂断口形态提供数据支持和理论依据。