Источниками акустических сигналов при деформации металлов являются процессы аннигиляции дислокации, выход дислокаций на свободную поверхность, работа дислокационных источников, образование или захлопывание микроскопических скоплений дислокаций, отрыв дислокаций от примесных атмосфер и прорыв препятствий, торможение быстродвижущихся дислокации, формирование полосы скольжения, зернограничное скольжение. Первенствующее значение в формировании акустических сигналов большой интенсивности имеют механизмы переходного излучения (выход дислокаций на поверхность, аннигиляция дислокаций, образование скоплений дислокаций), связанные с резким изменением скорости процесса.

Так, рассмотрение закономерностей формирования импульсов АЭ и их спектральное разложение позволили утверждать, что формирование волнового пакета АЭ определяется испусканием упругих волн, сопутствующих ускоренному или замедленному движению дислокаций [78]. Для возникновения эффекта АЭ необходимо высвобождение энергии; так, прорыв скопления дислокаций вызывает освобождение упругой энергии их взаимодействия и излучение упругих волн.

Оценка энергии, выделяющейся при действии того или иного источника АЭ, дала следующие результаты [58]: для движения единичной дислокации 10⁻²³ Дж, для аннигиляции дислокаций у свободной поверхности 4·10⁻¹⁸ Дж, для однородного движения группы дислокаций N·10⁻²³ Дж, для отрыва дислокаций от стопора N·10⁻¹⁹ Дж. Причем значение 10⁻²³ Дж значительно меньше той величины (10⁻¹⁶ Дж), которая требуется для фиксации АЭ с учетом возможностей современной аппаратуры, т. е. можно говорить об АЭ только при кооперативном движении дислокации. Комплексное исследование акустических гармоник и внутреннего трения, проведенное на титане и α-латуни [79], показало, что генерирование акустических гармоник есть результат крупномасштабного движения дислокаций под действием колебаний большой амплитуды и согласуется с упрощенной моделью работы источников Франка-Рида.

Помимо дислокационных источников, источниками АЭ при деформации чистого железа [80], низкоуглеродистой стали AISI 1019 [81] и сталей AISI 1020, 1045 и ASTM А533В [82] могут быть перемещения стенок магнитных доменов. Установлена корреляция между магнитомеханическими эффектами и закономерностями выделения АЭ. Косвенным подтверждением этого явилось обнаружение возврата акустико-эмиссионных свойств после термообработки.

АЭ разделяют [83,84] на два вида: непрерывную и дискретную. Непрерывная эмиссия характеризуется малой амплитудой и большой частотой следования сигналов, а дискретная — большой амплитудой и малой частотой следования сигналов. Так как продолжительность импульсов непрерывной АЭ мала (< 4 мкс), АЭ можно обязать с размножением подвижных дислокации, например, путем активизации источников Франка-Рида (оценка времени срабатывания дает величину < 10⁻⁸ с). Дискретная, или взрывная эмиссия предполагает наличие прерывистости пластического течения (эффект Портевена-Ле-Шателье), скачкообразный рост трещины и т. п. При этом предполагается [85], что если границы зерен действуют как источники дислокаций, то это должно вызывать сигналы дискретного типа.

Исследование АЭ в процессе прерывистой деформации α-латуни позволило установить два типа сигналов АЭ [86]. Первый тип всплесков среднеквадратичного значения амплитуды АЭ был характерен для начальной стадии прерывистого течения, а второй — для деформаций от 3 до 8%. На основании рассмотрения формы изменения сигналов АЭ и теоретичеcких предположений относительно закономерностей прерывистого течения показано, что на ранних стадиях деформации источниками АЭ являются процессы размножения и отрыва дислокаций от примесей, а на более поздних — только процессы размножения.

Высокий уровень АЭ наблюдали [87] при деформировании β-латуни. Исследования показали, что основными источниками АЭ являются: множественное скольжение и двойникование (при значительных степенях деформации). Высокая интенсивность АЭ связывалась с разупорядочением структуры испытуемого материала.

Для определения истинного частотного спектра АЭ измерили [88] передаточную функцию пьезопреобразователя и образца из низкоуглеродистой стали ХС10. Установлено, что максимум в спектре АЭ, соответствующей концу площадки текучести и началу стадии упрочнения, приходится на частоту 2,8 МГц и отражает процесс, связанный с активацией дислокационных источников Франка-Рида.

Очень часто акустическая эмиссия имеет место и при разгрузке [89, 90, 91]. На образцах из магниевого сплава [90] установили наличие непрерывной АЭ при нагружении и разгружении. Дискретная АЭ обычно уменьшалась с увеличением максимального напряжения цикла, что согласовывалось с данными, полученными при рассмотрении эмпирической модели эффекта Баушингера. Оказалось [89], что большему значению эмиссии разгрузки отвечает большая деформация Баушингера. Поскольку эффект Баушингера связан с действием обратного напряжения от скоплении дислокаций у границ зерен или других препятствий, АЭ, обусловленная разгрузкой, возникает из-за обратного пластического течения, связанного с обратным движением скоплений.

Относительно низкое значение эмиссии разгрузки для алюминия и его сплавов объясняется тем, что в этих сплавах из-за низкой энергии дефектов упаковки относительно легко протекает поперечное скольжение, в результате чего в первоначальных системах скольжения после приложения нагрузки возникает малое количество дислокационных конфигураций и, следовательно, малое количество их способно двигаться в обратном направлении и обеспечивать обратную пластическую деформацию.

Изучение максимума АЭ, связанной с эффектом Баушингера при испытании поликристаллического алюминия чистотой 99,9% позволило установить, что максимум АЭ связан с аннигиляцией значительной части дислокаций в результате действия обратных напряжений [92]. Приводятся [93] данные исследования АЭ при растяжении гладких образцов из алюминиевого сплава 7075-Т6.

Для записи АЭ использовали датчики с частотой 100−150 кГц. Совмещенные кривые зависимостей напряжения σ и скорости счета суммарной АЭ N от деформации ε для алюминиевого сплава даны на  рис. 1.

рис. 1.  Зависимости скорости счета АЭ N и напряжения σ от деформации ε при растяжении образцов из алюминиевого сплава 7075-Т6 [93]

Математическое выражение , отвечающее огибающей для зависимостей типа , по форме совпадает с известной формулой Гилмана, предложенной для описания плотности подвижных дислокаций в зависимости от величины пластической деформации

Формула 1.

Подобные закономерности получены еще для восьми типов алюминиевых сплавов [94, 95]. Указанное совпадение позволяет предположить, что N коррелирует с изменением дислокационной плотности в процессе деформации. На увеличение плотности "свежих" подвижных дислокаций в связи с АЭ указывалось и в работе [96].

Данные полуколичественного анализа энергии спектра АЭ, проведенного при растяжении монокристаллов алюминия [97], позволили вычислить скорость движения дислокаций в процессе скольжения и среднюю величину пробега дислокации, согласующиеся с данными электронно-микроскопических исследований.

Эксперименты, проведенные на алюминиевых сплавах 2024, 5086, 6061 [98], также показали, что источниками АЭ при наличии площадки текучести являются размножение и увеличение плотности подвижных дислокации, а на стадии прерывистого течения — отрыв дислокаций от точек закрепления в областях с высокой концентрацией напряжений.

Параллельные исследования [99] механической деформации методами АЭ и затухания ультразвука проводили на алюминиевых сплавах (1100Н, 6061-Т6, 2024-ТЗ, 7075-Т651). Установили, что при растяжении образцов из всех четырех алюминиевых сплавов АЭ приходится в основном на область, предшествующую микротекучести. Наблюдали, что затухание ультразвука практически одинаково на стадии деформирования до начала текучести, а затем затухание в одних случаях увеличивается, в других уменьшается. Результаты работы показали, что для исследованных сплавов механизмы деформации, вызывающие АЭ и изменение затухания ультразвука, различны.

В широком интервале частот (100 кГц − 4 МГц) исследовали мощность и спектр АЭ при растяжении цилиндрических образцов из алюминиевых сплавов 1100, 2024 и 5056 [100] и чистого алюминия [101]. Образцы имели переменную длину рабочей части. Скорость деформации изменяли в интервале 0,01·10⁻² − 1,11·10⁻² с⁻¹. Мощность АЭ оказалась прямо пропорциональной скорости пластической деформации, умноженной на длину рабочей части образца, а нормализованный спектр мощности АЭ при данной степени деформации практически не менялся со скоростью деформации. Обнаруженная в сплаве 5056 микроскопическая негомогенность деформации коррелировала со всплесками сигналов АЭ, частота появления которых уменьшалась, а амплитуда увеличивалась при увеличении скорости деформации.

На основе данных об источниках АЭ в алюминиевых сплавах [93, 97−103] можно назвать два основных вида источников: в результате пластической деформации (размножение дислокаций, отрыв дислокационных сегментов от точек закрепления) и в результате разрушения интерметаллидов, распределенных в матрице.

Изучали [104] АЭ при изменении коэффициентов параболического деформационного упрочнения при нагружении цилиндрических образцов бескислородной меди. На кривой напряжение — деформация в параболических координатах установлено наличие трех участков с последовательно возрастающей интенсивностью деформационного упрочнения. В зоне перехода от одного участка к другому наблюдалось четкое увеличение АЭ. Наблюдаемая закономерность в выделении сигналов АЭ при переходе от одного участка параболического деформационного упрочнения к другому отражает различный вклад в АЭ процессов пластической деформации и разрушения.

Следует заметить, что с помощью АЭ удалось подтвердить барьерный эффект поверхности для движения дислокаций. На латуни и алюминии проведены [105] опыты на растяжение с постоянной скоростью возрастания нагрузки. АЭ наблюдали при нагружении, разгрузке и повторном нагруженин. Перед повторным нагруженном часть образцов подвергали электрополировке для удаления поверхностного слоя толщиной ~ 0,2 мм. После удаления поверхностного слоя АЭ восстанавливалась, таким образом подтверждена роль поверхностного слоя как барьера для движения дислокации, что приводит к увеличению плотности дислокаций у поверхности при пластической деформации. Удаление поверхностного слоя ведет к возврату механических свойств и АЭ.