柴孟瑜段 權 張早校

(西安交通大學化學工程與技術學院)

疲勞是指在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動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、永久結構變化的發(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，占全部力學破壞的50%以上，它在工程實際中是由于在循環(huán)載荷的作用下，因為各種原因(如應力集中等)引起疲勞強度降低而萌生微裂紋，進而裂紋擴展導致最終的斷裂失效[1，2]。因此，為了早期發(fā)現(xiàn)金屬結構中的疲勞裂紋、準確預測剩余疲勞壽命、防止疲勞斷裂失效事故的發(fā)生，對金屬結構的無損檢測就顯得非常重要[3]。

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指構件材料的某一局部受到外力或者內力作用發(fā)生形變時快速釋放能量而隨之發(fā)出瞬態(tài)應力波的現(xiàn)象。聲發(fā)射技術是一種利用電子儀器對聲發(fā)射信號進行探測、記錄、分析，并據此評價聲發(fā)射源特征狀態(tài)的無損檢測技術[4]。與其他無損檢測技術相比，聲發(fā)射技術具有檢測動態(tài)缺陷、連續(xù)、在線監(jiān)測的優(yōu)勢，并且具有很高的靈敏度[5]，因此是實驗和工程實踐中監(jiān)測金屬材料疲勞損傷和失效過程的有效方法之一。

筆者綜述了國內外聲發(fā)射技術在金屬材料疲勞裂紋擴展和斷裂失效過程中的應用，指出了目前存在的一些問題和難點，并對進一步的研究方向和思路進行了探討和展望。

1 疲勞斷裂過程中的聲發(fā)射信號

聲發(fā)射技術應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)射技術有了很大的發(fā)展和進步，對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)測疲勞裂紋萌生和擴展過程中的聲發(fā)射信號、確定疲勞過程中的聲發(fā)射源及預測剩余疲勞壽命等方面。

1.1利用聲發(fā)射技術監(jiān)測裂紋萌生

裂紋的萌生意味著疲勞斷裂失效的開始，聲發(fā)射技術具有很高的靈敏度，利用聲發(fā)射技術監(jiān)測疲勞裂紋萌生對于壽命預測和失效預警具有重要意義。

1974年，Harris D O和Dunegan H L利用聲發(fā)射技術對7075-T6鋁合金的疲勞裂紋擴展過程進行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，通過設置合理的模擬濾波器上下限和前置放大器增益，可以探測到低于10-6英寸/循環(huán)次數(shù)大小的裂紋擴展速率[6]。此結果表明聲發(fā)射技術是一種監(jiān)測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候，利用聲發(fā)射技術來確定疲勞破壞的程度[7]。

Bassim M N等結合掃描電鏡與聲發(fā)射技術，即在軌道鋼四點彎曲高周疲勞的實驗中，當聲發(fā)射事件第一次出現(xiàn)時就停止實驗，使用掃描電鏡觀察裂紋源[8]。結果表明，裂紋在夾雜物附近產生，裂紋的長度只有0.009mm。該實驗成功證明了聲發(fā)射技術能夠探測到裂紋的萌生。

Mckeighan P C等使用不同類型的聲發(fā)射傳感器來探測裂紋萌生與擴展信號，結果表明每一種類型的傳感器獲得的信號都是一致的，聲發(fā)射技術能夠有效地探測到開裂現(xiàn)象[9]。Azadeh K和Mohammad M對7075鋁合金的疲勞實驗也得出了相同的結論[10]?？梢?，聲發(fā)射技術的高靈敏性，使得通過聲發(fā)射信號識別疲勞裂紋萌生得以實現(xiàn)。

1.2聲發(fā)射與疲勞過程的關聯(lián)

整個疲勞破壞過程包括裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴展和失穩(wěn)斷裂3個階段，這3個階段可由裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子幅度ΔK的曲線上的3個區(qū)域來表示。為了更好地表征整個疲勞過程，理解金屬材料疲勞斷裂過程中的聲發(fā)射源機制，建立聲發(fā)射特征參數(shù)與疲勞過程的關聯(lián)顯得十分重要。最早Morton T M等在2024鋁合金的疲勞裂紋擴展實驗中使用累積計數(shù)值來表征整個疲勞過程，并且累積計數(shù)率隨裂紋擴展速率的增大而增大[11]。Kohn D H等將整個聲發(fā)射過程進一步分為類似于疲勞過程裂紋萌生、穩(wěn)態(tài)擴展和失穩(wěn)斷裂的3個階段[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展的聲發(fā)射研究中報道了相同的結果[13～18]，且Soboyejo W O等認為累積計數(shù)值是對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展實驗中，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個階段[19]。Shaira M等則采用累積能量值來表征疲勞裂紋擴展過程，并分為兩個階段，在第一個階段聲發(fā)射能量值平穩(wěn)增加，在第二個階段卻快速增加[20]。Yu J G等實驗中第一次使用累積絕對能量值來表征整個疲勞過程，且結果表明其演化規(guī)律與裂紋擴展曲線相似[21，22]。徐長航等研究了20Cr2MoNi 鋼制抽油桿試件疲勞開裂的聲發(fā)射過程，結果表明聲發(fā)射信號的能量、振鈴累積計數(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性能演化規(guī)律[23]。

因此，通過大量實驗已證明，疲勞過程中金屬材料聲發(fā)射參數(shù)的演變規(guī)律與整個疲勞過程類似，基本呈現(xiàn)3個階段。第一個階段的聲發(fā)射活度較大，聲發(fā)射率較高，但不斷減小，第二個階段的聲發(fā)射率較低，這一階段占據了整個過程的絕大部分，第三個階段中聲發(fā)射強度最大，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，如累積計數(shù)值、累積能量值和累積絕對能量值等，其中累積計數(shù)值是應用最廣泛的一種。

波形分析法是聲發(fā)射信號的一個重要分析方法，是研究聲發(fā)射特性與源機制的重要手段。聲發(fā)射信號從時域上來看，一般分為突發(fā)型和連續(xù)型兩種基本信號。疲勞斷裂的聲發(fā)射信號主要為裂紋形成和增長的突發(fā)型信號。許多學者對聲發(fā)射信號的波形及頻譜進行了詳細研究，李光海和劉正義在16MnR高頻疲勞的聲發(fā)射監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展的聲發(fā)射信號頻率主要集中在100～200kHz之間[24]。錢文學等的實驗結果則表明聲發(fā)射信號頻率主要在100～300kHz之間[25]。Shaira M等在研究中把所得聲發(fā)射信號分為3類：第一類信號的頻率較低，上升時間長，是由于位錯運動形成的；第二類信號由開裂行為引起，信號上升時間短，頻率高；第三類信號類似于脈沖信號，主要與馬氏體轉變有關[20]。Chang H等的研究結果表明，LY12CZ和7075-T6鋁合金疲勞裂紋擴展的聲發(fā)射信號均為突發(fā)型信號，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]?？梢姡谶^程中的聲發(fā)射信號主要為突發(fā)型信號，頻率主要集中在80～350kHz之間，因此可根據信號波形與頻譜特征來判斷疲勞裂紋擴展信號。

1.3聲發(fā)射信號與應力強度因子幅度的關系

穩(wěn)態(tài)擴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到裂紋擴展，需要確定裂紋擴展速率。影響裂紋擴展速率的參數(shù)很多，而應力強度因子幅度ΔK是疲勞裂紋擴展速率的主要控制參量[1]。1963年，Paris P C和Erdogan F在實驗基礎上提出了著名的Paris疲勞裂紋擴展公式[27]，它建立了應力強度因子幅度與疲勞裂紋擴展速率之間的關系，是當今科學研究和工程實踐中預測疲勞裂紋擴展壽命的基礎以及應用最廣的公式，其形式為：

(1)

式中，a為裂紋長度，N為疲勞循環(huán)的次數(shù)，C、m是隨材料性質和實驗條件而定的經驗常數(shù)，da/dN與ΔK在雙對數(shù)坐標系中有較好的線性關系。

聲發(fā)射監(jiān)測疲勞裂紋擴展的重點研究內容之一就是把聲發(fā)射參數(shù)和斷裂力學參數(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。有很多學者通過實驗發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射活度隨裂紋擴展程度(即應力強度因子幅度)的增大而增大[6，28，29]。1974年，Morton T M等在實驗中，第一次建立了聲發(fā)射計數(shù)率和應力強度因子幅度之間的關系[11]，可表示為：

(2)

式中，dC/dN是聲發(fā)射計數(shù)率，B、p是隨材料性質和實驗條件而定的經驗常數(shù)，可由實驗確定。

該公式在日后的科研工作中被廣泛應用，許多學者在大量實驗的基礎上建立了鋼[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)射計數(shù)率和應力強度因子幅度、裂紋擴展速率之間的關系，并且結果表明在雙對數(shù)坐標系中dC/dN和ΔK、da/dN存在一定的線性關系，聲發(fā)射活度隨ΔK的增大而增大。同時，能量率[24，33]及絕對能量率[21]等參數(shù)也被相繼提出，并取得了相似的結論。然而，聲發(fā)射參數(shù)與ΔK并不像da/dN與ΔK之間的線性關系那么嚴格，而是數(shù)據略有分散，呈現(xiàn)一種近似的線性關系。雖然理論上應該滿足式(2)，但實際應用中因為聲發(fā)射信號中存在不可避免的噪音，造成其本身具有一定的分散性[30]，同時傳感器與試樣之間的耦合情況、濾波參數(shù)[23]及預制裂紋過程中的殘余應力[21]等因素都可能導致聲發(fā)射數(shù)據的分散性。例如，Berkovits A和Fang D N研究了耐熱鉻鎳鐵合金901的疲勞裂紋擴展過程的聲發(fā)射特性，結果就表明聲發(fā)射計數(shù)率和裂紋擴展速率的關系為非線性[33]。雖然這一結論與多數(shù)結論相反，但也從一定程度上說明了聲發(fā)射參數(shù)與ΔK、da/dN之間的線性關系存在一定的分散性。

1.4疲勞斷裂過程中聲發(fā)射信號的影響因素

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

1.4.1應力比

應力比R是影響疲勞裂紋擴展速率的一個重要因素。一般情況下，應力比增大，在裂紋擴展速率的3個區(qū)域內，da/dN均增大。因此，應力比的改變對于聲發(fā)射信號具有重要影響。Hamel F等實驗表明，R=0.2時試樣的聲發(fā)射計數(shù)率要比R=0.4時的高[34]。朱榮華和剛鐵研究了7N01鋁合金三點彎曲試樣分別在應力比為0.1、0.3和0.5時疲勞裂紋擴展的聲發(fā)射過程，結果表明應力比為0.1時聲發(fā)射計數(shù)率最大[28]，可見，隨著應力比的增大，聲發(fā)射率的變化規(guī)律與da/dN并不相同。造成這一結果的主要原因是，應力比較低時，裂紋閉合對裂紋擴展的影響比高應力比時要大，因此聲發(fā)射活動主要與裂紋閉合現(xiàn)象以及裂紋尖端的塑性屈服有關。文獻[28]的實驗結果同樣表明，在低應力比下裂紋擴展速率更快，疲勞壽命更短。然而，Yu J G等的實驗結果表明，應力比越高，聲發(fā)射信號強度越強，而疲勞壽命越短[35]，原因是更大的平均應力水平，但是他們并沒有做聲發(fā)射率的研究工作。關于應力比對疲勞過程中聲發(fā)射特性的影響，還需要進一步的系統(tǒng)的研究。

1.4.2加載頻率

一般來說，當裂紋擴展速率da/dN較高時，加載頻率的降低會使da/dN增大。加載頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響比應力比的影響要小，但對于聲發(fā)射信號而言，仍是一個重要的影響因素。在Harris D O和Dunegan H L的實驗中，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鎂合金疲勞裂紋擴展實驗中，研究了不同加載頻率(2、10、20Hz)對聲發(fā)射特性的影響，結果表明減小加載頻率，聲發(fā)射累積計數(shù)值增大，聲發(fā)射計數(shù)率也更大[18]。加載頻率影響聲發(fā)射的原因較為復雜，歸因于材料孿生行為的不同。同時實驗中，環(huán)境及裂紋閉合等因素也可能因為加載頻率的改變進一步影響聲發(fā)射行為，具體是哪種因素起主要作用，還需要進一步的驗證。

1.4.3材料微觀組織

熱處理、焊接等過程都會在一定程度上影響材料的微觀組織，進而改變材料的強度和硬度，導致材料疲勞行為的不同，因此聲發(fā)射特性也會發(fā)生相應變化。

HoussnyEmam M和Bassim M N研究了不同熱處理狀態(tài)對AISI4340鋼低周疲勞聲發(fā)射特性的影響[7]，結果表明，對于所有不同硬度的試樣，在開始的疲勞循環(huán)中就會發(fā)生軟化，且聲發(fā)射活度與這種軟化狀態(tài)有關。Wang Z F等的研究結果表明淬火后的A537鋼疲勞裂紋擴展過程的聲發(fā)射特性與未經熱處理的明顯不同，具有更多高幅值的信號，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展過程[36]，結果表明微觀組織的變化對聲發(fā)射活度會有顯著影響，在dC/dN和ΔK的關系中，聲發(fā)射計數(shù)率隨熱處理老化時間的增加而降低。Han Z Y等研究了低合金鋼中微觀組織對疲勞裂紋擴展過程和聲發(fā)射行為的影響[17]，結果表明經過200℃回火熱處理的試樣其聲發(fā)射累積計數(shù)值和計數(shù)率比其他試樣(未經熱處理以及經過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重要過程。Moorthy V等的實驗結果表明，與母材相比，焊縫的疲勞裂紋擴展過程會產生更高的聲發(fā)射活度，聲發(fā)射事件的峰值幅值也更高[36]。Han Z Y等報道了低合金鋼Q345R母材與焊縫的疲勞裂紋擴展過程，研究表明焊縫中的氧化夾雜物和粗糙的鐵素體晶粒，使其裂紋擴展速率比母材的更大，且具有更高的聲發(fā)射計數(shù)率[16]。Cao J W等也得出了相同的結論[30]。朱榮華和剛鐵的實驗表明7N01鋁合金的焊縫比母材具有較快的擴展速率和更高的聲發(fā)射計數(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展的速率及聲發(fā)射活度。同時，焊縫中的殘余應力對聲發(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

疲勞裂紋擴展及斷裂過程中的聲發(fā)射源是人們研究的另一大重點。有很多過程可以產生聲發(fā)射信號，例如位錯運動、彈性孿生、夾雜物斷裂、裂紋擴展、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的疲勞裂紋擴展過程中的聲發(fā)射源，認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合金的疲勞實驗中發(fā)現(xiàn)，幅值較高的聲發(fā)射信號來源于穿晶斷裂和微孔聚集[38]。

Moorthy V等研究了316不銹鋼疲勞裂紋擴展過程的穩(wěn)態(tài)擴展階段，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等得到了相似的結果，認為兩種鋁合金LY12CZ和7075-T6疲勞裂紋擴展階段的聲發(fā)射源均為裂紋尖端的塑性變形行為[26]。Han Z Y等在對鎂合金AZ31疲勞裂紋擴展的聲發(fā)射源研究中，認為裂紋擴展和裂紋尖端孿生是兩個主要的聲發(fā)射源[18]。

Han Z Y等認為Q345R疲勞裂紋擴展過程的3個聲發(fā)射階段的機制分別為裂紋萌生、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，而對于經過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Q345R疲勞過程聲發(fā)射信號產生的機理做了詳細研究，認為前期信號為大量微裂紋的萌生[30]；中期裂紋穩(wěn)定擴展階段為裂紋尖端位錯的滑移、堆積及孔洞形核和長大；后期的韌窩聚合和韌帶剪切則是失穩(wěn)擴展階段的聲發(fā)射源。

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

1.6聲發(fā)射信號對剩余疲勞壽命的預測

疲勞是一個長期的損傷累積過程，因此，根據聲發(fā)射信號與疲勞斷裂過程之間的關系對剩余疲勞壽命進行準確預測，對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)建立的斷裂機制模型對Ti-15-3合金疲勞壽命進行預測，得到的理論值和實驗值比較吻合，這表明聲發(fā)射技術可以用來預測和診斷疲勞壽命[14]。Roberts T M和Talebzadeh M基于聲發(fā)射計數(shù)率和裂紋擴展速率之間的關系，對S275JR鋼的剩余疲勞壽命進行預測，結果顯示理論預測值和實際實驗結果比較相近[32]。Cao J W等使用兩種方法對Q345R疲勞壽命進行預測[30]。首先是基于計數(shù)率和裂紋擴展速率的關系進行壽命計算，隨后利用BP神經網絡模型，以累積振鈴計數(shù)、累積幅度、累積能量、累積持續(xù)時間為輸入層節(jié)點，對應力強度因子幅度和裂紋擴展速率進行預測，兩種方法均得到了較為準確的結果。

Yu J G等基于絕對能量值率與裂紋擴展的關系對橋梁用鋼的剩余疲勞壽命進行預測，同樣取得了較好的結果，并且認為絕對能量率比計數(shù)率更適合于裂紋長度和疲勞壽命的預測[21，22]。Mohammad M等建立應變信號和聲發(fā)射信號的關系來預測SAE1045鋼的疲勞壽命，且壽命實測值和計算值的相關系數(shù)在Coffin-Manson模型和Smith-Watson-Topper模型的計算下均在92%以上，這種良好的關系表示聲發(fā)射技術能夠用于金屬試樣的疲勞壽命預測[40，41]。

可見，利用聲發(fā)射參數(shù)(如計數(shù)、能量、絕對能量等)與裂紋擴展速率之間的關系計算疲勞壽命的方法，簡單方便，且能獲得較為準確的結果，因此應用最為廣泛。而通過聯(lián)合使用兩種及以上的方法，可以有效提高準確度和適用范圍。需要指出的是，對于工程實際來說，預測的裂紋長度不僅要與實測值相近，而且要略微高于實測值，從而保證壽命預測的安全性。

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)合作用會顯著降低材料疲勞性能，危害極大。近年來，聲發(fā)射技術應用于電化學腐蝕與應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304奧氏體不銹鋼疲勞過程聲發(fā)射行為的影響[42]，結果表明，與在惰性氣體環(huán)境中相比，腐蝕環(huán)境中聲發(fā)射活度隨裂紋擴展速率的增大快速增大。Buttle D J和Scruby C B的結果表明，4360-50D鋼板在空氣中的疲勞裂紋過程沒有產生太多聲發(fā)射信號，在海水中則發(fā)現(xiàn)較為離散的聲發(fā)射信號，在陰極保護中觀察到了更多聲發(fā)射信號，腐蝕產物的斷裂是主要的聲發(fā)射源[43]。Shaikh H等的實驗結果表明，在316LN腐蝕的過程中，當疲勞裂紋萌生時，聲發(fā)射計數(shù)、能量等參數(shù)值會突然增長[44]。

然而，Wang Z F等實驗結果表明，在裂紋擴展階段，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展過程[26]，結果表明溶液中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)境對聲發(fā)射活度的影響有所不同，可能會使其增大，也可能減小。造成差異的原因主要是腐蝕過程對裂紋擴展過程的影響不同，從而聲發(fā)射源及強度會有所變化。

3 結論

3.1聲發(fā)射信號的分析方法存在的問題。聲發(fā)射特征參數(shù)眾多，包括計數(shù)、能量、絕對能量、上升時間及持續(xù)時間等，這造成人們在使用特征參數(shù)表征疲勞斷裂過程時缺乏統(tǒng)一的標準。同時，實驗方法和實驗設置的差異，使得相互之間的分析結果缺少有效的對比。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)一標準，對于疲勞過程的聲發(fā)射研究非常有意義。

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

3.3缺乏高溫與低溫環(huán)境中疲勞過程的聲發(fā)射研究。金屬結構在實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、溫度變化對材料疲勞聲發(fā)射信號規(guī)律的影響等，由于受實驗條件的限制，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，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，對于揭示高低溫金屬材料的疲勞機理具有重要意義。

3.4目前雖然對金屬壓力容器裂紋擴展信號源定位的應用已較為成熟，但關于金屬材料疲勞斷裂的聲發(fā)射研究主要還停留在實驗室階段，將實驗室結果與工程實踐密切相聯(lián)系仍需做大量工作。確定合適的疲勞表征參數(shù)，根據聲發(fā)射參數(shù)建立合理的疲勞壽命預測模型，開發(fā)現(xiàn)場復雜環(huán)境下針對復雜金屬結構的疲勞損傷聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和流程，也是當前研究的重點之一。

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，對聲發(fā)射源機制認識不足。腐蝕是一個復雜的化學過程，雖然近年來電化學腐蝕過程的聲發(fā)射研究有了較大發(fā)展，但仍存在聲發(fā)射腐蝕信號分析標準缺失及聲發(fā)射源機制認識不清晰等問題。腐蝕疲勞是一個力學化學交互作用的過程，力學過程和化學過程都會產生聲發(fā)射信號，導致腐蝕疲勞過程中的聲發(fā)射源更加復雜。設置合理的實驗流程，采用現(xiàn)代信號處理方法對聲發(fā)射信號進行后處理，可以更加高效地提取腐蝕疲勞信號的有用信息。

3.6盡管存在以上問題和困難，但聲發(fā)射技術無損、動態(tài)、實時、在線的特點，使其很適合應用于實驗室和工程實踐中對金屬疲勞斷裂過程的監(jiān)測。采用合適的聲發(fā)射分析方法對疲勞損傷累積進行表征，發(fā)展科學的剩余壽命預測模型和計算方法，拓寬聲發(fā)射技術在各種復雜條件下的應用，以監(jiān)測金屬結構完整性，準確預知疲勞壽命，及時對缺陷進行警報，從而減少工程事故。總之，聲發(fā)射技術在金屬疲勞斷裂方面的應用前景是相當可觀的。

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