聲發(fā)射技術(shù)在金屬疲勞斷裂研究中的應(yīng)用*

柴孟瑜段 權(quán) 張?jiān)缧?/p>

(西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

疲勞是指在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。在金屬材料的失效形式中，疲勞斷裂是最常見的一種失效形式，占全部力學(xué)破壞的50%以上，它在工程實(shí)際中是由于在循環(huán)載荷的作用下，因?yàn)楦鞣N原因(如應(yīng)力集中等)引起疲勞強(qiáng)度降低而萌生微裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致最終的斷裂失效[1，2]。因此，為了早期發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)中的疲勞裂紋、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余疲勞壽命、防止疲勞斷裂失效事故的發(fā)生，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)就顯得非常重要[3]。

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指構(gòu)件材料的某一局部受到外力或者內(nèi)力作用發(fā)生形變時(shí)快速釋放能量而隨之發(fā)出瞬態(tài)應(yīng)力波的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術(shù)是一種利用電子儀器對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、記錄、分析，并據(jù)此評(píng)價(jià)聲發(fā)射源特征狀態(tài)的無損檢測(cè)技術(shù)[4]。與其他無損檢測(cè)技術(shù)相比，聲發(fā)射技術(shù)具有檢測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷、連續(xù)、在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并且具有很高的靈敏度[5]，因此是實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐中監(jiān)測(cè)金屬材料疲勞損傷和失效過程的有效方法之一。

筆者綜述了國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射技術(shù)在金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展和斷裂失效過程中的應(yīng)用，指出了目前存在的一些問題和難點(diǎn)，并對(duì)進(jìn)一步的研究方向和思路進(jìn)行了探討和展望。

1 疲勞斷裂過程中的聲發(fā)射信號(hào)

聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于金屬材料的疲勞斷裂研究已有四十多年的歷史。過去的四十多年里，聲發(fā)射技術(shù)有了很大的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)疲勞過程的研究也越來越深入。目前，已有的研究主要集中在監(jiān)測(cè)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射信號(hào)、確定疲勞過程中的聲發(fā)射源及預(yù)測(cè)剩余疲勞壽命等方面。

1.1利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)裂紋萌生

裂紋的萌生意味著疲勞斷裂失效的開始，聲發(fā)射技術(shù)具有很高的靈敏度，利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)疲勞裂紋萌生對(duì)于壽命預(yù)測(cè)和失效預(yù)警具有重要意義。

1974年，Harris D O和Dunegan H L利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)7075-T6鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置合理的模擬濾波器上下限和前置放大器增益，可以探測(cè)到低于10-6英寸/循環(huán)次數(shù)大小的裂紋擴(kuò)展速率[6]。此結(jié)果表明聲發(fā)射技術(shù)是一種監(jiān)測(cè)裂紋萌生的高靈敏度工具。隨后，Houssny-Emam M和Bassim M N在4340鋼裂紋萌生剛開始的時(shí)候，利用聲發(fā)射技術(shù)來確定疲勞破壞的程度[7]。

Bassim M N等結(jié)合掃描電鏡與聲發(fā)射技術(shù)，即在軌道鋼四點(diǎn)彎曲高周疲勞的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)聲發(fā)射事件第一次出現(xiàn)時(shí)就停止實(shí)驗(yàn)，使用掃描電鏡觀察裂紋源[8]。結(jié)果表明，裂紋在夾雜物附近產(chǎn)生，裂紋的長(zhǎng)度只有0.009mm。該實(shí)驗(yàn)成功證明了聲發(fā)射技術(shù)能夠探測(cè)到裂紋的萌生。

Mckeighan P C等使用不同類型的聲發(fā)射傳感器來探測(cè)裂紋萌生與擴(kuò)展信號(hào)，結(jié)果表明每一種類型的傳感器獲得的信號(hào)都是一致的，聲發(fā)射技術(shù)能夠有效地探測(cè)到開裂現(xiàn)象[9]。Azadeh K和Mohammad M對(duì)7075鋁合金的疲勞實(shí)驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論[10]。可見，聲發(fā)射技術(shù)的高靈敏性，使得通過聲發(fā)射信號(hào)識(shí)別疲勞裂紋萌生得以實(shí)現(xiàn)。

1.2聲發(fā)射與疲勞過程的關(guān)聯(lián)

整個(gè)疲勞破壞過程包括裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂3個(gè)階段，這3個(gè)階段可由裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK的曲線上的3個(gè)區(qū)域來表示。為了更好地表征整個(gè)疲勞過程，理解金屬材料疲勞斷裂過程中的聲發(fā)射源機(jī)制，建立聲發(fā)射特征參數(shù)與疲勞過程的關(guān)聯(lián)顯得十分重要。最早Morton T M等在2024鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中使用累積計(jì)數(shù)值來表征整個(gè)疲勞過程，并且累積計(jì)數(shù)率隨裂紋擴(kuò)展速率的增大而增大[11]。Kohn D H等將整個(gè)聲發(fā)射過程進(jìn)一步分為類似于疲勞過程裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂的3個(gè)階段[12]，研究表明，在疲勞開始的第一階段和接近斷裂的第三階段，聲發(fā)射率更高，而在第二階段聲發(fā)射率較低，并且這一階段占據(jù)了絕大部分的疲勞壽命。Miura S等分別在鋁合金、鈦合金和合金鋼疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射研究中報(bào)道了相同的結(jié)果[13～18]，且Soboyejo W O等認(rèn)為累積計(jì)數(shù)值是對(duì)疲勞損傷最敏感的參數(shù)[14]。Ahmed M在2024-T3鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中，觀察到聲發(fā)射撞擊數(shù)的累積演變過程同樣表現(xiàn)出類似的3個(gè)階段[19]。Shaira M等則采用累積能量值來表征疲勞裂紋擴(kuò)展過程，并分為兩個(gè)階段，在第一個(gè)階段聲發(fā)射能量值平穩(wěn)增加，在第二個(gè)階段卻快速增加[20]。Yu J G等實(shí)驗(yàn)中第一次使用累積絕對(duì)能量值來表征整個(gè)疲勞過程，且結(jié)果表明其演化規(guī)律與裂紋擴(kuò)展曲線相似[21，22]。徐長(zhǎng)航等研究了20Cr2MoNi 鋼制抽油桿試件疲勞開裂的聲發(fā)射過程，結(jié)果表明聲發(fā)射信號(hào)的能量、振鈴累積計(jì)數(shù)與疲勞損傷演化過程能很好地吻合，這些參數(shù)能夠很好地表征試件損傷過程的力學(xué)性能演化規(guī)律[23]。

因此，通過大量實(shí)驗(yàn)已證明，疲勞過程中金屬材料聲發(fā)射參數(shù)的演變規(guī)律與整個(gè)疲勞過程類似，基本呈現(xiàn)3個(gè)階段。第一個(gè)階段的聲發(fā)射活度較大，聲發(fā)射率較高，但不斷減小，第二個(gè)階段的聲發(fā)射率較低，這一階段占據(jù)了整個(gè)過程的絕大部分，第三個(gè)階段中聲發(fā)射強(qiáng)度最大，聲發(fā)射率再次快速增加直至材料斷裂。金屬材料的疲勞斷裂過程可以通過多種聲發(fā)射參數(shù)來表征，如累積計(jì)數(shù)值、累積能量值和累積絕對(duì)能量值等，其中累積計(jì)數(shù)值是應(yīng)用最廣泛的一種。

波形分析法是聲發(fā)射信號(hào)的一個(gè)重要分析方法，是研究聲發(fā)射特性與源機(jī)制的重要手段。聲發(fā)射信號(hào)從時(shí)域上來看，一般分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種基本信號(hào)。疲勞斷裂的聲發(fā)射信號(hào)主要為裂紋形成和增長(zhǎng)的突發(fā)型信號(hào)。許多學(xué)者對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的波形及頻譜進(jìn)行了詳細(xì)研究，李光海和劉正義在16MnR高頻疲勞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)頻率主要集中在100～200kHz之間[24]。錢文學(xué)等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明聲發(fā)射信號(hào)頻率主要在100～300kHz之間[25]。Shaira M等在研究中把所得聲發(fā)射信號(hào)分為3類：第一類信號(hào)的頻率較低，上升時(shí)間長(zhǎng)，是由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)形成的；第二類信號(hào)由開裂行為引起，信號(hào)上升時(shí)間短，頻率高；第三類信號(hào)類似于脈沖信號(hào)，主要與馬氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)[20]。Chang H等的研究結(jié)果表明，LY12CZ和7075-T6鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)均為突發(fā)型信號(hào)，頻率分別集中在80～350kHz和80～300kHz之間，且峰值頻率均為100kHz左右[26]。可見，疲勞過程中的聲發(fā)射信號(hào)主要為突發(fā)型信號(hào)，頻率主要集中在80～350kHz之間，因此可根據(jù)信號(hào)波形與頻譜特征來判斷疲勞裂紋擴(kuò)展信號(hào)。

1.3聲發(fā)射信號(hào)與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度的關(guān)系

穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段是疲勞過程最主要的階段，為了保證在材料失效前就能檢測(cè)到裂紋擴(kuò)展，需要確定裂紋擴(kuò)展速率。影響裂紋擴(kuò)展速率的參數(shù)很多，而應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK是疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要控制參量[1]。1963年，Paris P C和Erdogan F在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了著名的Paris疲勞裂紋擴(kuò)展公式[27]，它建立了應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度與疲勞裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，是當(dāng)今科學(xué)研究和工程實(shí)踐中預(yù)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的基礎(chǔ)以及應(yīng)用最廣的公式，其形式為：

(1)

式中，a為裂紋長(zhǎng)度，N為疲勞循環(huán)的次數(shù)，C、m是隨材料性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件而定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，da/dN與ΔK在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中有較好的線性關(guān)系。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)疲勞裂紋擴(kuò)展的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一就是把聲發(fā)射參數(shù)和斷裂力學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來，使得裂紋尺寸、裂紋尖端變量能被聲發(fā)射參數(shù)代替。有很多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射活度隨裂紋擴(kuò)展程度(即應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度)的增大而增大[6，28，29]。1974年，Morton T M等在實(shí)驗(yàn)中，第一次建立了聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度之間的關(guān)系[11]，可表示為：

(2)

式中，dC/dN是聲發(fā)射計(jì)數(shù)率，B、p是隨材料性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)條件而定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定。

該公式在日后的科研工作中被廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了鋼[6,11,16,17,30～32]、鋁合金[26，28，29]、鈦合金[12]、鎂合金[18]疲勞過程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度、裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，并且結(jié)果表明在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中dC/dN和ΔK、da/dN存在一定的線性關(guān)系，聲發(fā)射活度隨ΔK的增大而增大。同時(shí)，能量率[24，33]及絕對(duì)能量率[21]等參數(shù)也被相繼提出，并取得了相似的結(jié)論。然而，聲發(fā)射參數(shù)與ΔK并不像da/dN與ΔK之間的線性關(guān)系那么嚴(yán)格，而是數(shù)據(jù)略有分散，呈現(xiàn)一種近似的線性關(guān)系。雖然理論上應(yīng)該滿足式(2)，但實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)槁暟l(fā)射信號(hào)中存在不可避免的噪音，造成其本身具有一定的分散性[30]，同時(shí)傳感器與試樣之間的耦合情況、濾波參數(shù)[23]及預(yù)制裂紋過程中的殘余應(yīng)力[21]等因素都可能導(dǎo)致聲發(fā)射數(shù)據(jù)的分散性。例如，Berkovits A和Fang D N研究了耐熱鉻鎳鐵合金901的疲勞裂紋擴(kuò)展過程的聲發(fā)射特性，結(jié)果就表明聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系為非線性[33]。雖然這一結(jié)論與多數(shù)結(jié)論相反，但也從一定程度上說明了聲發(fā)射參數(shù)與ΔK、da/dN之間的線性關(guān)系存在一定的分散性。

1.4疲勞斷裂過程中聲發(fā)射信號(hào)的影響因素

疲勞斷裂過程中影響聲發(fā)射信號(hào)的因素有很多，研究不同因素對(duì)疲勞過程聲發(fā)射特性的影響是一大研究重點(diǎn)，下面主要介紹應(yīng)力比、加載頻率和材料微觀組織3種。

1.4.1應(yīng)力比

應(yīng)力比R是影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的一個(gè)重要因素。一般情況下，應(yīng)力比增大，在裂紋擴(kuò)展速率的3個(gè)區(qū)域內(nèi)，da/dN均增大。因此，應(yīng)力比的改變對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)具有重要影響。Hamel F等實(shí)驗(yàn)表明，R=0.2時(shí)試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率要比R=0.4時(shí)的高[34]。朱榮華和剛鐵研究了7N01鋁合金三點(diǎn)彎曲試樣分別在應(yīng)力比為0.1、0.3和0.5時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射過程，結(jié)果表明應(yīng)力比為0.1時(shí)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率最大[28]，可見，隨著應(yīng)力比的增大，聲發(fā)射率的變化規(guī)律與da/dN并不相同。造成這一結(jié)果的主要原因是，應(yīng)力比較低時(shí)，裂紋閉合對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響比高應(yīng)力比時(shí)要大，因此聲發(fā)射活動(dòng)主要與裂紋閉合現(xiàn)象以及裂紋尖端的塑性屈服有關(guān)。文獻(xiàn)[28]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在低應(yīng)力比下裂紋擴(kuò)展速率更快，疲勞壽命更短。然而，Yu J G等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力比越高，聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，而疲勞壽命越短[35]，原因是更大的平均應(yīng)力水平，但是他們并沒有做聲發(fā)射率的研究工作。關(guān)于應(yīng)力比對(duì)疲勞過程中聲發(fā)射特性的影響，還需要進(jìn)一步的系統(tǒng)的研究。

1.4.2加載頻率

一般來說，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速率da/dN較高時(shí)，加載頻率的降低會(huì)使da/dN增大。加載頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響比應(yīng)力比的影響要小，但對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)而言，仍是一個(gè)重要的影響因素。在Harris D O和Dunegan H L的實(shí)驗(yàn)中，加載頻率的改變并沒有明顯影響到聲發(fā)射活度[6]。Han Z Y在AZ31鎂合金疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中，研究了不同加載頻率(2、10、20Hz)對(duì)聲發(fā)射特性的影響，結(jié)果表明減小加載頻率，聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)值增大，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率也更大[18]。加載頻率影響聲發(fā)射的原因較為復(fù)雜，歸因于材料孿生行為的不同。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境及裂紋閉合等因素也可能因?yàn)榧虞d頻率的改變進(jìn)一步影響聲發(fā)射行為，具體是哪種因素起主要作用，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

1.4.3材料微觀組織

熱處理、焊接等過程都會(huì)在一定程度上影響材料的微觀組織，進(jìn)而改變材料的強(qiáng)度和硬度，導(dǎo)致材料疲勞行為的不同，因此聲發(fā)射特性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

HoussnyEmam M和Bassim M N研究了不同熱處理狀態(tài)對(duì)AISI4340鋼低周疲勞聲發(fā)射特性的影響[7]，結(jié)果表明，對(duì)于所有不同硬度的試樣，在開始的疲勞循環(huán)中就會(huì)發(fā)生軟化，且聲發(fā)射活度與這種軟化狀態(tài)有關(guān)。Wang Z F等的研究結(jié)果表明淬火后的A537鋼疲勞裂紋擴(kuò)展過程的聲發(fā)射特性與未經(jīng)熱處理的明顯不同，具有更多高幅值的信號(hào)，主要來自于裂紋尖端的解理斷裂[31]。Moorthy V等研究不同熱處理狀態(tài)下316不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展過程[36]，結(jié)果表明微觀組織的變化對(duì)聲發(fā)射活度會(huì)有顯著影響，在dC/dN和ΔK的關(guān)系中，聲發(fā)射計(jì)數(shù)率隨熱處理老化時(shí)間的增加而降低。Han Z Y等研究了低合金鋼中微觀組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展過程和聲發(fā)射行為的影響[17]，結(jié)果表明經(jīng)過200℃回火熱處理的試樣其聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)率比其他試樣(未經(jīng)熱處理以及經(jīng)過600℃回火熱處理的試樣)的都要高。需要說明的是，采用何種熱處理方式，決定了聲發(fā)射活度的變化情況。

焊接同樣是改變材料微觀組織的一個(gè)重要過程。Moorthy V等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與母材相比，焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展過程會(huì)產(chǎn)生更高的聲發(fā)射活度，聲發(fā)射事件的峰值幅值也更高[36]。Han Z Y等報(bào)道了低合金鋼Q345R母材與焊縫的疲勞裂紋擴(kuò)展過程，研究表明焊縫中的氧化夾雜物和粗糙的鐵素體晶粒，使其裂紋擴(kuò)展速率比母材的更大，且具有更高的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率[16]。Cao J W等也得出了相同的結(jié)論[30]。朱榮華和剛鐵的實(shí)驗(yàn)表明7N01鋁合金的焊縫比母材具有較快的擴(kuò)展速率和更高的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率[28]。可見，與母材相比，焊縫組織形態(tài)的粗糙程度決定了裂紋擴(kuò)展的速率及聲發(fā)射活度。同時(shí)，焊縫中的殘余應(yīng)力對(duì)聲發(fā)射活度也有一定影響。

1.5疲勞斷裂過程中的聲發(fā)射源

疲勞裂紋擴(kuò)展及斷裂過程中的聲發(fā)射源是人們研究的另一大重點(diǎn)。有很多過程可以產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，例如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、彈性孿生、夾雜物斷裂、裂紋擴(kuò)展、解理開裂及微孔聚合等。

Scala C M和Cousland S研究了兩種鋁合金2024和2014的疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射源，認(rèn)為夾雜物斷裂是主要聲發(fā)射源，而循環(huán)次數(shù)之間聲發(fā)射活度的變化歸因于斷裂的夾雜物尺寸的變化和它們不規(guī)則的空間排列[37]。Kohn D H等在Ti-6Al-4V合金的疲勞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，幅值較高的聲發(fā)射信號(hào)來源于穿晶斷裂和微孔聚集[38]。

Moorthy V等研究了316不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展過程的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，其主要的聲發(fā)射源為循環(huán)塑性區(qū)中的塑性變形[39]。Chang H等得到了相似的結(jié)果，認(rèn)為兩種鋁合金LY12CZ和7075-T6疲勞裂紋擴(kuò)展階段的聲發(fā)射源均為裂紋尖端的塑性變形行為[26]。Han Z Y等在對(duì)鎂合金AZ31疲勞裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射源研究中，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展和裂紋尖端孿生是兩個(gè)主要的聲發(fā)射源[18]。

Han Z Y等認(rèn)為Q345R疲勞裂紋擴(kuò)展過程的3個(gè)聲發(fā)射階段的機(jī)制分別為裂紋萌生、裂紋尖端的塑性變形和微孔與微裂紋之間的韌性剪切斷裂，而對(duì)于經(jīng)過200℃回火熱處理的具有馬氏體的試樣，斷裂模式和聲發(fā)射源主要為解理斷裂[16，17]。Cao J W等同樣對(duì)Q345R疲勞過程聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理做了詳細(xì)研究，認(rèn)為前期信號(hào)為大量微裂紋的萌生[30]；中期裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段為裂紋尖端位錯(cuò)的滑移、堆積及孔洞形核和長(zhǎng)大；后期的韌窩聚合和韌帶剪切則是失穩(wěn)擴(kuò)展階段的聲發(fā)射源。

可見，在疲勞過程的3個(gè)階段中，聲發(fā)射源有所不同，而焊接或熱處理等過程同樣會(huì)改變聲發(fā)射源機(jī)制。

1.6聲發(fā)射信號(hào)對(duì)剩余疲勞壽命的預(yù)測(cè)

疲勞是一個(gè)長(zhǎng)期的損傷累積過程，因此，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)與疲勞斷裂過程之間的關(guān)系對(duì)剩余疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)于防止疲勞失效事故的發(fā)生具有重要意義。

Soboyejo W O等基于聲發(fā)射參數(shù)建立的斷裂機(jī)制模型對(duì)Ti-15-3合金疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到的理論值和實(shí)驗(yàn)值比較吻合，這表明聲發(fā)射技術(shù)可以用來預(yù)測(cè)和診斷疲勞壽命[14]。Roberts T M和Talebzadeh M基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，對(duì)S275JR鋼的剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示理論預(yù)測(cè)值和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較相近[32]。Cao J W等使用兩種方法對(duì)Q345R疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[30]。首先是基于計(jì)數(shù)率和裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系進(jìn)行壽命計(jì)算，隨后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以累積振鈴計(jì)數(shù)、累積幅度、累積能量、累積持續(xù)時(shí)間為輸入層節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度和裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，兩種方法均得到了較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

Yu J G等基于絕對(duì)能量值率與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系對(duì)橋梁用鋼的剩余疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，同樣取得了較好的結(jié)果，并且認(rèn)為絕對(duì)能量率比計(jì)數(shù)率更適合于裂紋長(zhǎng)度和疲勞壽命的預(yù)測(cè)[21，22]。Mohammad M等建立應(yīng)變信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的關(guān)系來預(yù)測(cè)SAE1045鋼的疲勞壽命，且壽命實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)在Coffin-Manson模型和Smith-Watson-Topper模型的計(jì)算下均在92%以上，這種良好的關(guān)系表示聲發(fā)射技術(shù)能夠用于金屬試樣的疲勞壽命預(yù)測(cè)[40，41]。

可見，利用聲發(fā)射參數(shù)(如計(jì)數(shù)、能量、絕對(duì)能量等)與裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系計(jì)算疲勞壽命的方法，簡(jiǎn)單方便，且能獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，因此應(yīng)用最為廣泛。而通過聯(lián)合使用兩種及以上的方法，可以有效提高準(zhǔn)確度和適用范圍。需要指出的是，對(duì)于工程實(shí)際來說，預(yù)測(cè)的裂紋長(zhǎng)度不僅要與實(shí)測(cè)值相近，而且要略微高于實(shí)測(cè)值，從而保證壽命預(yù)測(cè)的安全性。

2 腐蝕疲勞的聲發(fā)射研究

腐蝕疲勞是在腐蝕環(huán)境作用下的疲勞，交變載荷與侵蝕性環(huán)境的聯(lián)合作用會(huì)顯著降低材料疲勞性能，危害極大。近年來，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于電化學(xué)腐蝕與應(yīng)力腐蝕研究已有快速的發(fā)展，因此有能力也有必要發(fā)展腐蝕疲勞的聲發(fā)射研究。

Yuyama S等研究了腐蝕環(huán)境對(duì)304奧氏體不銹鋼疲勞過程聲發(fā)射行為的影響[42]，結(jié)果表明，與在惰性氣體環(huán)境中相比，腐蝕環(huán)境中聲發(fā)射活度隨裂紋擴(kuò)展速率的增大快速增大。Buttle D J和Scruby C B的結(jié)果表明，4360-50D鋼板在空氣中的疲勞裂紋過程沒有產(chǎn)生太多聲發(fā)射信號(hào)，在海水中則發(fā)現(xiàn)較為離散的聲發(fā)射信號(hào)，在陰極保護(hù)中觀察到了更多聲發(fā)射信號(hào)，腐蝕產(chǎn)物的斷裂是主要的聲發(fā)射源[43]。Shaikh H等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在316LN腐蝕的過程中，當(dāng)疲勞裂紋萌生時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量等參數(shù)值會(huì)突然增長(zhǎng)[44]。

然而，Wang Z F等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在裂紋擴(kuò)展階段，3.5%NaCl溶液中A537鋼的聲發(fā)射活度明顯比在空氣中的要低[31]。Chang H等研究了兩種鋁合金在空氣和3.5%NaCl溶液中的疲勞裂紋擴(kuò)展過程[26]，結(jié)果表明溶液中LY12CZ的聲發(fā)射活度要比在空氣中的小，而7075-T6的聲發(fā)射活度要比在空氣中的更大，造成差異的主要原因是前者裂紋尖端塑性區(qū)域的減小導(dǎo)致聲發(fā)射活度的降低，而后者氫脆是主要的聲發(fā)射源，因此聲發(fā)射活度更高。

可見，腐蝕環(huán)境對(duì)聲發(fā)射活度的影響有所不同，可能會(huì)使其增大，也可能減小。造成差異的原因主要是腐蝕過程對(duì)裂紋擴(kuò)展過程的影響不同，從而聲發(fā)射源及強(qiáng)度會(huì)有所變化。

3 結(jié)論

3.1聲發(fā)射信號(hào)的分析方法存在的問題。聲發(fā)射特征參數(shù)眾多，包括計(jì)數(shù)、能量、絕對(duì)能量、上升時(shí)間及持續(xù)時(shí)間等，這造成人們?cè)谑褂锰卣鲄?shù)表征疲勞斷裂過程時(shí)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的差異，使得相互之間的分析結(jié)果缺少有效的對(duì)比。因此，研究和定義能夠有效表征疲勞過程的聲發(fā)射特征參數(shù)，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于疲勞過程的聲發(fā)射研究非常有意義。

3.2關(guān)于近門檻擴(kuò)展區(qū)和失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)的研究不足。由于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)占據(jù)絕大部分的疲勞壽命，paris模型的應(yīng)用也十分成熟，因此對(duì)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的聲發(fā)射特性研究較多。但是，近門檻擴(kuò)展區(qū)和失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)同樣作為疲勞過程中的兩個(gè)重要階段，其聲發(fā)射研究不能被忽略。建立科學(xué)的聲發(fā)射參數(shù)與裂紋近門檻擴(kuò)展與失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)的關(guān)系，建立合理的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，有助于我們更好地理解金屬材料的整個(gè)疲勞過程。

3.3缺乏高溫與低溫環(huán)境中疲勞過程的聲發(fā)射研究。金屬結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中大多是在高溫或低溫環(huán)境發(fā)生疲勞損傷現(xiàn)象，然而，高溫和低溫下金屬材料的聲發(fā)射特性、溫度變化對(duì)材料疲勞聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律的影響等，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，這方面的研究工作開展很少。因此，開展高溫與低溫環(huán)境中金屬材料疲勞的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，研究聲發(fā)射特征參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律、高低溫環(huán)境下疲勞斷裂的聲發(fā)射源，提出一套系統(tǒng)的高低溫環(huán)境下疲勞過程的聲發(fā)射研究方法和理論，對(duì)于揭示高低溫金屬材料的疲勞機(jī)理具有重要意義。

3.4目前雖然對(duì)金屬壓力容器裂紋擴(kuò)展信號(hào)源定位的應(yīng)用已較為成熟，但關(guān)于金屬材料疲勞斷裂的聲發(fā)射研究主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與工程實(shí)踐密切相聯(lián)系仍需做大量工作。確定合適的疲勞表征參數(shù)，根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)建立合理的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下針對(duì)復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)的疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和流程，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。

3.5腐蝕疲勞的聲發(fā)射研究較少，不同腐蝕溶液中疲勞損傷的聲發(fā)射特性不同，對(duì)聲發(fā)射源機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。腐蝕是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，雖然近年來電化學(xué)腐蝕過程的聲發(fā)射研究有了較大發(fā)展，但仍存在聲發(fā)射腐蝕信號(hào)分析標(biāo)準(zhǔn)缺失及聲發(fā)射源機(jī)制認(rèn)識(shí)不清晰等問題。腐蝕疲勞是一個(gè)力學(xué)化學(xué)交互作用的過程，力學(xué)過程和化學(xué)過程都會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，導(dǎo)致腐蝕疲勞過程中的聲發(fā)射源更加復(fù)雜。設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)流程，采用現(xiàn)代信號(hào)處理方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行后處理，可以更加高效地提取腐蝕疲勞信號(hào)的有用信息。

3.6盡管存在以上問題和困難，但聲發(fā)射技術(shù)無損、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、在線的特點(diǎn)，使其很適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和工程實(shí)踐中對(duì)金屬疲勞斷裂過程的監(jiān)測(cè)。采用合適的聲發(fā)射分析方法對(duì)疲勞損傷累積進(jìn)行表征，發(fā)展科學(xué)的剩余壽命預(yù)測(cè)模型和計(jì)算方法，拓寬聲發(fā)射技術(shù)在各種復(fù)雜條件下的應(yīng)用，以監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)完整性，準(zhǔn)確預(yù)知疲勞壽命，及時(shí)對(duì)缺陷進(jìn)行警報(bào)，從而減少工程事故。總之，聲發(fā)射技術(shù)在金屬疲勞斷裂方面的應(yīng)用前景是相當(dāng)可觀的。

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