張志強，李國祿，王海斗，徐濱士，樸鐘宇

（1.河北工業(yè)大學 材料科學與工程學院，天津 300130；2.裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072）

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）也稱應力波發(fā)射，是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象［1］。借助聲發(fā)射檢測系統(tǒng)采集、記錄、分析聲發(fā)射信號并對聲發(fā)射源的性質進行評定的技術稱為聲發(fā)射技術［2］。聲發(fā)射技術是近幾年迅速發(fā)展起來的新技術、新方法。聲發(fā)射技術的獨特優(yōu)點是能夠進行實時、在線無損檢測，且具有較高的靈敏度［3－4］。疲勞、磨損和腐蝕是工程機械構件最主要的三種破壞形式，而疲勞破壞往往無明顯先兆，常常造成災難性事故和重大損失。接觸疲勞是由表面或次表面材料在交變應力作用下產生的損傷累積過程，是齒輪、軸承等滾動零部件的主要失效形式。接觸疲勞失效的本質是循環(huán)應力作用下的裂紋萌生和擴展過程［5］。接觸疲勞失效過程主要包括短裂紋萌生、短裂紋擴展、長裂紋擴展、表面損傷（微點蝕、微剝落）、深層裂紋擴展、宏觀表面疲勞（宏觀點蝕和剝落）等幾個過程。聲發(fā)射信號對材料的彈塑性變形、裂紋的萌生、擴展、材料的斷裂等損傷比較敏感，因此其對接觸疲勞失效過程具有真實性和實時性的反饋，通過處理、分析采集到的聲發(fā)射信號來監(jiān)測接觸疲勞失效過程并揭示接觸疲勞失效機理是一種科學、有效且實用的方法。

1 發(fā)展概述

早在幾千年前，人們就發(fā)現(xiàn)了錫鳴、鐵鳴現(xiàn)象，并通過聲發(fā)射來判斷瓷器和導軌的質量。但是這些簡單的應用，并沒有使聲發(fā)射技術成為一門科學的技術。聲發(fā)射作為一門科學的技術是以20世紀50年代Kaiser提出材料形變聲發(fā)射的不可逆效應及Kaiser效應為標志［6］。1954年，Schofield等人將聲發(fā)射技術應用于工程材料領域。60年代初，Green等人［7］首先開始將聲發(fā)射技術應用在焊接裂紋評估、壓力容器等無損檢測領域。1969年，Dunegan公司開展了現(xiàn)代聲發(fā)射儀器的研制，他們把儀器測試頻率提高到100～1MHz的范圍內［8－9］，這為結構零件和耐磨耐疲勞零件的裂紋的萌生和擴展過程監(jiān)測提供了條件。70年代是聲發(fā)射技術快速發(fā)展的年代，美國Nortec公司推出第一臺商用現(xiàn)代聲發(fā)射檢測儀器，這為聲發(fā)射技術從實驗室走向現(xiàn)場應用創(chuàng)造了條件［10］。隨后，Dunegan、Sacramento、PAC等聲發(fā)射科技公司的產品相繼出現(xiàn)。八十年代初，美國PAC公司將計算機技術引入聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，開發(fā)了一系列單、雙通道多功能高級檢測和數(shù)據分析軟件，可以對被檢零件的使用安全情況進行在線監(jiān)測、失效預警、聲發(fā)射源定位等。九十年代美國PAC公司、德國Vallen Systeme公司等先后開發(fā)生產了多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)，可以對聲發(fā)射信號進行濾波、特征提取、功率譜分析、聲發(fā)射源定位、多參數(shù)分析、相關分析等［6］。進入21世紀，聲發(fā)射檢測儀器向檢測自動化、圖像化、計算機化發(fā)展的同時，也出現(xiàn)了專業(yè)化、細分化的特點。聲發(fā)射技術于70年代初引入我國［11］，經過近四十多年的發(fā)展，聲發(fā)射技術在我國的研究和應用呈快速發(fā)展的趨勢，現(xiàn)已經被成功應用于壓力容器和壓力管道檢測、航空航天主要構件結構完整性評估、工具使用過程中磨損和斷裂監(jiān)測等領域。

隨著聲發(fā)射信號處理技術的不斷發(fā)展和完善，高靈敏度的聲發(fā)射技術也逐步成功應用于旋轉零部件接觸疲勞失效過程監(jiān)測和疲勞失效機理的研究。因為聲發(fā)射信號比較微弱，有用特征信號往往被掩埋在背景噪聲中，因此聲發(fā)射信號處理技術是聲發(fā)射檢測技術中的重要環(huán)節(jié)。接觸疲勞失效過程中的聲發(fā)射信號比較復雜，如圖1所示，通過傅里葉變換可知其頻率主要分布在50～350kHz，如圖2所示。參數(shù)分析法和波形分析法是聲發(fā)射信號處理最常用的方法。參數(shù)分析法是指對聲發(fā)射幅值、能量、振鈴計數(shù)等進行處理，并用其描述聲發(fā)射源特性和材料損傷程度的分析方法。將聲發(fā)射特征參數(shù)之間任意兩個變量做關聯(lián)分析以找出聲發(fā)射信號的變化規(guī)律，從而得到聲發(fā)射源的更多的特征信息。波形分析法是對聲發(fā)射檢測系統(tǒng)記錄的波形信息，應用數(shù)學變換進行處理，分析聲發(fā)射信號波形和頻率特征，從而獲得聲發(fā)射源特性的處理方法。

2 塊體零件接觸疲勞失效檢測

齒輪、軸承等以接觸疲勞失效為主的零部件主要是以整體鑄造或鍛造的鋼鐵塊體零件為主，采用聲發(fā)射技術對其接觸疲勞失效進行在線檢測和失效機理分析也是最先從這些塊體零件開始的。

2.1 研究現(xiàn)狀

國內外研究學者開展了大量的聲發(fā)射技術對塊體零件的接觸疲勞失效檢測的研究，獲得了從定性地反應疲勞失效到定量地檢測疲勞累積損傷程度的質變。

Balerston HL等人［12］第一次將聲發(fā)射技術用于接觸疲勞失效的研究，他指出接觸疲勞失效的本質是裂紋的萌生和擴展的過程，這個過程必然有能量的釋放，而聲發(fā)射產生的微觀機理是瞬間能量迅速釋放的過程，所以聲發(fā)射信號完全可以反映疲勞損傷時刻和損傷程度。此后，聲發(fā)射技術在疲勞失效監(jiān)測中成快速發(fā)展的趨勢，Tan C K，Mba D等人［4］進行了軸承、齒輪等旋轉零件疲勞失效過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、振幅等特征參數(shù)的研究。正式提出聲發(fā)射技術是除振動分析法之外具有更高靈敏度的先進無損監(jiān)測手段。隨著先進的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，Holroyd TJ等人［13］在線采集到了接觸疲勞失效過程中的聲發(fā)射波形數(shù)據，并采用傅里葉變換等譜分析手段，得知接觸疲勞失效的頻率是分布在幾十赫茲到幾百赫茲范圍內，這為以后接觸疲勞頻率特征研究奠定了基礎。Yoshioka T和Fujiwara T等人［14－15］采用不同的檢測方法做了大量的滾動接觸疲勞試驗，他們將聲發(fā)射檢測與振動分析法做了對比，得出的結論是聲發(fā)射失效預警信號明顯早于振動分析法。Abdullah MA和Mba D等人［16］與Yoshioka T和Fujiwara T等人試驗結論相近，他們指出與振動分析法相比，聲發(fā)射技術能更加準確的探測到軸承、齒輪等承受循環(huán)交變載荷的重要旋轉零件的早期微小缺陷，另外，借助聲發(fā)射技術還能夠檢測出損傷缺陷的大小，計算出損傷速率。Bourchak M等人［17］將聲發(fā)射能量作為復合材料疲勞損傷過程中的重要參數(shù)進行了分析和研究。得出了復合材料疲勞損傷過程的聲發(fā)射能量與疲勞損傷演變過程具有良好的對應關系。Al－Balushi K R和Addali A等人［18］在研究軸承、齒輪等承受循環(huán)交變載荷作用的聲發(fā)射信號時，首次提出利用能量指數(shù)（Energy Index）作為診斷點蝕、剝落等失效的重要參數(shù)，能量指數(shù)技術可以提取出掩埋在信噪比高于0.25隨機背景噪聲中的有用的疲勞特征值。Choudhury A和Tandon N［19］借助聲發(fā)射振鈴計數(shù)對滾動軸承接觸疲勞損傷缺陷進行了監(jiān)測，他指出在循環(huán)載荷為75kg、轉速為1500rpm的試驗工況條件下振鈴計數(shù)對于小于1mm的損傷缺陷是比較敏感的，當缺陷尺寸超出后1mm時振鈴計數(shù)將趨于穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 聲發(fā)射振鈴計數(shù)與滾動軸承缺陷尺寸之間的關系［19］

2.2 裂紋萌生和擴展的聲發(fā)射特征

裂紋的萌生意味著失效的開始，裂紋的擴展、連接預示著滾動接觸零件的最終失效的發(fā)生。根據裂紋擴展速率可以對滾動零件的接觸疲勞剩余壽命進行預測。而聲發(fā)射可以對裂紋的存在狀態(tài)進行實時反饋，因此利用聲發(fā)射技術研究裂紋萌生和擴展過程具有很重要的實際意義。

Morton TM、Holford KM和Hamstad MA等人［20－22］的研究內容相近，他們利用聲發(fā)射技術研究了鋼結構中循環(huán)應力疲勞裂紋的萌生、擴展過程，得出的結論是聲發(fā)射信號特征參數(shù)與裂紋擴展的實時狀態(tài)具有特定對應關系，利用聲發(fā)射技術可以對疲勞裂紋的擴展程度進行在線反饋。Yoon DJ和Weiss WJ等人［23］研究了橋梁在長期承受循環(huán)剪切應力和彎曲應力條件下的聲發(fā)射信號特點，他們指出承受循環(huán)應力的橋梁在宏觀裂紋階段，聲發(fā)射振幅和強度比微觀裂紋階段大。Roberts T和Talebzadeh M［24］在大量拉壓應力疲勞試驗中，得到了應力疲勞裂紋擴展和聲發(fā)射計數(shù)率之間的關系。Guo YB和Schwach W等人［25］利用聲發(fā)射特征參數(shù)振幅、能量、有效值、振鈴計數(shù)研究不同載荷、轉速條件下白層對滾動零部件接觸疲勞壽命的影響，得出的結論是白層嚴重損害滾動零部件的壽命，同時指出振幅、能量、有效值、振鈴計數(shù)對于裂紋累積增加是一個穩(wěn)定的過程。Yoshioka T等人［26］在模擬軸承滾動接觸疲勞試驗中，提取了軸承接觸疲勞過程中的聲發(fā)射特征信號，并計算裂紋的擴展時間，提出裂紋擴展時間通常是指損傷聲發(fā)射信號產生到表面發(fā)生破壞的時間。Rahman Z和Ohba H等人［27］在滾動接觸疲勞試驗中研究了聲發(fā)射計數(shù)與疲勞損傷程度之間關系，如圖4所示。他們指出在開始階段，由于滾動接觸表面比較粗糙，尖銳的微凸體容易發(fā)生塑性變形而發(fā)生屈服變形，聲發(fā)射計數(shù)處于比較穩(wěn)定的階段，但額度較高，該階段占全部壽命的88%。直到120h（箭頭1所指）時才有明顯的越階產生，接下來聲發(fā)射計數(shù)逐漸增加，直到初始破壞發(fā)生（箭頭2所指）。之后，聲發(fā)射計數(shù)突然猛增，破壞越來嚴重，剝落坑越來越大，也越來越深，直到完全失效，如圖5中箭頭a～d及圖5（a）～（d）所示。

2.3 聲發(fā)射源

聲發(fā)射源反映的是接觸疲勞破壞的源頭，利用聲發(fā)射技術識別聲發(fā)射源的特性，對破壞位置準確定位，及時采取抑制破壞加劇的措施，對防止更加嚴重的破壞和事故產生具有重要的意義。

Dunegan HL等人［8］研究了材料接觸疲勞破壞的聲發(fā)射信號，得出的結論是塑性變形是形成聲發(fā)射源的一個重要機制，他們認為塑性變形過程中位錯滑移起著決定性作用，位錯滑移伴隨著能量的釋放而產生聲發(fā)射，變形越快聲發(fā)射強度越高。同時，裂紋的形成和擴展也是疲勞過程中的一種主要的聲發(fā)射源［10］，在裂紋形成過程中，多余能量以彈性波釋放出來而產生聲發(fā)射。理論計算表明，裂紋擴展所需要的能量比裂紋形成需要的能量約大100倍到1000倍，裂紋擴展階段會將積蓄的能量釋放出來而產生強度較大的聲發(fā)射。雖然不是在接觸疲勞領域，但Jones RH等人［28］研究了304不銹鋼疲勞腐蝕中聲發(fā)射源的特性，他們認為主要聲發(fā)射源是裂紋擴展過程中的材料韌帶的機械撕裂。Zhong ZM等人［29］提出了用盲源分離方法解決機械的聲發(fā)射源識別問題，利用該方法識別并提取了不同聲發(fā)射源的聲發(fā)射特征信號，這為聲發(fā)射源特性的研究提供了新的研究手段。

同時，聲發(fā)射源定位研究也是聲發(fā)射技術的研究重點。Yoshioka T和Fujiwara T等人［15］在滾動接觸疲勞試驗中進行了利用聲發(fā)射檢測技術對裂紋源進行準確定位的研究，在滾動圓形試樣上安裝多個聲發(fā)射傳感器，根據聲發(fā)射信號到達不同傳感器的時間差來判定聲發(fā)射源的準確位置。Rahman Z和Ohba H等人［27］利用一個對滾的試驗裝置和先進的聲發(fā)射測試系統(tǒng)，在恒定的載荷和轉速下做了大量的對滾試驗，他們利用聲發(fā)射計數(shù)作為初始破壞的定位參數(shù)自主開發(fā)了聲發(fā)射源定位器，該裝置除了可以探測到輥的損傷的程度，并且可以判定接觸疲勞破壞的位置。

3 涂層零件接觸疲勞失效檢測

目前對于表面涂層零件這類不均質材料體系的接觸疲勞損傷過程中聲發(fā)射信號的研究還很少，借助聲發(fā)射信號來揭示接觸疲勞損傷機理仍處于起步階段。由于涂層零件本身存在孔隙、微裂紋、未熔粒子等難以抗拒的微缺陷，如圖6和7所示，使得涂層接觸疲勞失效更加難以檢測，因此，采用靈敏度高、有效且實用的現(xiàn)代聲發(fā)射技術對涂層零件這類不均質材料體系的接觸疲勞失效進行檢測具有重要的意義。

接觸疲勞失效往往是從表面開始的，表面點蝕、剝落而導致零件整體失效，這極大地影響了這些零件的實際壽命，浪費了資源，增加了成本［30］。研究表明，熱噴涂、刷鍍、激光熔覆等表面工程技術可用于修復失效零件表面、改善其表面性能，具有非常重要的實際應用價值。國內外研究學者對涂層的接觸疲勞行為和失效機制的研究也越來越深入。Tobe S等人［31］研究了陶瓷涂層和金屬涂層的接觸疲勞行為，得出的結論是涂層的抗壓強度和界面剪切強度是影響涂層抗接觸疲勞性能的關鍵因素。Nieminen R［32］研究了WC－Co噴涂粉末中的碳化物含量對涂層抗接觸疲勞性能的影響。結果表明：涂層內部碳化物的分布越均勻，涂層的抗接觸疲勞性能越好。這些研究只是在涂層完全疲勞失效以后借助掃描電鏡來間接表征涂層的疲勞失效的累積損傷程度，而不能直接在線檢測涂層的接觸疲勞損傷行為，而聲發(fā)射技術可以完全突破這一頸瓶，借助聲發(fā)射特征信號可以在線監(jiān)測涂層接觸疲勞失效過程，研究涂層疲勞失效機理，預測涂層疲勞壽命。

當前對表面涂層這類不均質材料體系的接觸疲勞失效的聲發(fā)射研究仍處于起步階段，主要集中在使用聲發(fā)射技術對涂層力學性能的表征。如Miguel JM等人［33］采用聲發(fā)射技術對涂層的韌性進行了評價。Stebut JV等人［34］采用壓入法結合聲發(fā)射技術對薄膜的結合強度進行了一定的研究，認為聲發(fā)射信號的能量參數(shù)最適合表征涂層的環(huán)狀開裂或剝落。

Piao ZY等人［35－36］在研究了涂層結構特征和接觸疲勞失效機制的基礎上首次進行了Fe－Cr合金等離子噴涂層滾動接觸疲勞失效過程聲發(fā)射信號反饋的研究，得出的結論是聲發(fā)射特征參數(shù)（振幅和能量）對于疲勞裂紋的萌生和擴展過程是敏感的，同時認為聲發(fā)射信號能反映出涂層疲勞失效的累積損傷過程，如圖8所示。開始階段聲發(fā)射振幅和能量維持在比較高的額度，這主要是由表面磨削加工造成粗糙的微凸體在剪切應力的作用下發(fā)生彈塑性變形并促使微凸體材料去除而引起的。之后聲發(fā)射振幅和能量進入一個比較穩(wěn)定的階段。在涂層最終失效階段，聲發(fā)射振幅和能量急劇增加，這是由于裂紋的失穩(wěn)擴展、連接而導致涂層材料的大面積去除釋放出更強的聲發(fā)射信號。目前對于涂層接觸疲勞失效過程中的聲發(fā)射波形、頻率以及其它特征參數(shù)如上升時間、計數(shù)等的研究還沒有涉及到，這也是國內外研究的空白和今后的研究方向。同時，涂層結構復雜性和大量不規(guī)則缺陷的存在也給聲發(fā)射源特性的研究帶來了極大地困難，因此，對于涂層零件的聲發(fā)射信號特征的研究仍然有很長的路要走。

圖8 涂層滾動接觸疲勞聲發(fā)射信號（振幅和能量）反饋［40］

4 存在的問題與展望

綜上所述，隨著聲發(fā)射檢測技術的發(fā)展，對接觸疲勞失效的聲發(fā)射信號研究取得了長足的發(fā)展，但是仍有很多問題亟待解決?，F(xiàn)存的主要問題及可能的解決思路如下：

（1）首先是聲發(fā)射特征參數(shù)眾多，造成人們在表征信號特征時缺少統(tǒng)一的標準。其次，由于研究體系比較多，試驗方法與設置不盡相同，造成相互之間的結果缺少可比性。比如振鈴計數(shù)、上升時間、持續(xù)時間等聲發(fā)射特征參數(shù)與門檻值的設置有關，設置不同的門檻值會導致同一個聲發(fā)射信號的特征參數(shù)值發(fā)生變化。因此，建立統(tǒng)一標準的聲發(fā)射特征參數(shù)，對于接觸疲勞問題的聲發(fā)射技術研究十分必要。

（2）定量的分析裂紋擴展速率和聲發(fā)射特征參數(shù)之間的對應關系仍然是難以跨越的難題，一方面受聲發(fā)射檢測設備的響應速度、靈敏度等性能的制約，致使得到的聲發(fā)射特征值非原始裂紋的真實信息，甚至信號已經變異。另一方面應用聲發(fā)射技術判斷裂紋的擴展信息并非原位觀測，因此得到的判據可能并不準確。因此開發(fā)出性能優(yōu)異的聲發(fā)射檢測設備至關重要。同時，借助工業(yè)CT、高分辨電鏡與聲發(fā)射技術聯(lián)合檢測分析也是個有效的途徑。

（3）當前對接觸疲勞失效過程中的聲發(fā)射源的認識仍然不足，一方面是由于聲發(fā)射源本身的復雜性。另一方面是接觸疲勞失效具有突發(fā)性和不可預知性，對于失效機理的研究還不夠深入，雖然普遍認為失效的本質是裂紋的擴展、材料的斷裂，但影響因素太多，設計單因子試驗比較困難。從微觀和宏觀兩方面同時研究聲發(fā)射源的基本理論，通過引入多層次的缺陷背景和損傷機制來研究材料接觸疲勞損傷全過程是解決問題的關鍵。

（4）對涂層零件接觸疲勞失效過程的聲發(fā)射特性的研究還不深入，這主要是由于涂層結構的復雜性和大量微缺陷的存在所導致的，因此提高涂層質量和設計單因子試驗來研究涂層接觸疲勞失效規(guī)律是關鍵。

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