С точки зрения механики усталостного роста трещины можно выделить следующие три механизма, ответственных за возникновение АЭ:

Регистрация АЭ при усталости сопряжена с рядом трудностей, обусловленных спецификой методов испытаний. При испытаниях на усталость, особенно при нагружении с вращением, затруднительна установка датчиков и обеспечение качественного пьезоконтакта. Кроме помех, связанных с работой нагружающих устройств и затрудняющих выделение и регистрацию АЭ существенный, вклад в уровень и спектр шумов вносят трение и контактные напряжения в захватах, а также берегов трещины [75, 209], в особенности при знакопеременном нагружении.

Необходимо отметить, что при значительном многообразии представлений о зарождении и развитии трещины в условиях мало- и многоцикловой усталости формирование зоны пластической деформации и прирост трещины связываются с областью максимальной нагрузки цикла. В связи с этим АЭ по первому и второму механизму должна возникать вблизи максимальной нагрузки цикла, а АЭ по третьему механизму — вблизи минимальной нагрузки цикла [210−212].

Накопление повреждений при усталости исследовали в условиях высокотемпературного ультразвукового нагружения на титане, титановом сплаве, латуни и сплавах на основе никеля [213]. Совместная регистрация АЭ и параметров внутреннего трения позволила выделить две области пластической деформации, подготовляющих зарождение микротрещин. Установлено, что микротрещины, порожденные полосами скольжения, вызывают образование макротрещин. АЭ оказалась тесно связана с внутренним трением и стадиями усталостного разрушения.

Так же как и при других видах нагружения, АЭ изменяется при изменении температуры циклического нагружения [211]. Исследование АЭ и амплитудного распределения сигналов АЭ а нержавеющей аустеинтной стали в интервале 20−600 °С позволило установить ряд закономерностей. Максимум АЭ взрывного типа наблюдался при реверсе напряжения от цикла сжатия к растяжению. Заметное увеличение суммарного счета событий АЭ за цикл изменения напряжения происходило при увеличении температуры испытания. При этом в амплитудном распределении увеличивалось число событий АЭ, имеющих большую амплитуду.

Полученные результаты подтверждают высказанные ранее соображения о том, что источниками АЭ являются как повторяющаяся текучесть у вершины трещины, так и частичное схватывание поверхности трещины при реверсе напряжения, особенно при высоких температурах. Влияние структурного состояния на механизмы АЭ при усталости изучали на сталях с ферритной, ферритно-перлитной и перлитной структурой [214]. В ферритных и ферритно-перлитных сталях па ранних стадиях зарождения трещин сигналы АЭ отсутствуют и появляются лишь при развитой макротекучести. В перлитных сталях АЭ появляется раньше микроскопически различимых признаков трещин. В ферритных и ферритно-перлитных сталях источником АЭ является не столько пластическое течение, сколько трение поверхностей трещины. В перлитной стали акустические сигналы большой мощности вызываются взрывообразным разрушением хрупких структурных составляющих.

О важности отделения АЭ при смыкании и размыкании берегов трещины от полезного сигнала говорится и в работе В. Н. Куранова и др. [212]. Исследовали [215] АЭ при повторном растяжении образцов с односторонним надрезом из алюминиевого сплава 2024. Акустические сигналы регистрировали с помощью пьезодатчика с резонансной частотой 155 кГц. Для отделения акустических сигналов, отвечающих росту трещины, регистрацию АЭ осуществляли только вблизи максимальной нагрузки цикла. В результате было показано, что корреляция между количеством импульсов АЭ за цикл и изменением коэффициента интенсивности напряжений ΔК у вершины трещины лучше по сравнению с изменением скорости роста трещины, т. е. можно предположить, что сигналы АЭ в основном связаны с процессами пластической деформации у вершины трещины.

Аналогичная связь параметров АЭ с ΔК получена на стали А533В [216]. Зависимости скорости роста трещины за цикл выражались линейным законом, отвечающим уравнениям:

Формула 17.

Формула 18.

где при условии выражения в мкм/цикл,  — число событии АЭ за цикл, а ΔK МН/м^3/2, и

Результаты циклического нагружения балочных образцов высокопрочной хромоникелевомолибденовой стали достаточно хорошо удовлетворяли приведенным уравнениям [217].

В случае испытаний низкоуглеродистой трубной стали менялись значения показателей степени, в которую возводились величины ΔК. Для формулы 17 α=3,6, для формулы 18 α=4.

Для предсказания усталостного разрушения алюминия 1100-0, алюминиевого сплава 7075-Т6, стали D6aC, сплава Ti-6AI-4V и сравнительной оценки возможностей были использованы следующие методы неразрушающего контроля [218]: экзоэлектронная эмиссия, акустическая эмиссия, поверхностные звуковые волны, изменение поверхностного потенциала. Каждый из методов оказался эффективным для предсказания разрушения одного или нескольких указанных материалов. В частности АЭ обнаружила существенное изменение параметров для алюминия 1100-0 после 33−50% наработки от общей долговечности в зависимости от уровня приложенных напряжений. Остальные материалы давали очень слабую АЭ, что определялось спецификой методики испытаний. Метод АЭ может быть использован для предсказания остаточного ресурса, применительно к различного рода конструкциям, сосудам, работающим под давлением, трубопроводам. Для чего проводится экстраполяция зависимости между коэффициентом интенсивности напряжений К до уровня K_1c и числом циклов на основании полученной в ряде работ [215, 167, 216, 70, 210] функциональной связи

Формула 19.

Указанная связь была установлена из прямой пропорциональности между суммарным счетом АЭ и величиной пластически деформированного объема у вершины трещины и оказалась характерной при усталостных испытаниях титановых сплавов [167], сталей [216, 70, 210], алюминиевых сплавов [215, 210]. Кроме того, установлена корреляционная связь между скоростью счета суммарной АЭ при максимальной нагрузке цикла 11 энергией, освобождаемой при росте трещины за цикл, и показана возможность использования метода АЭ как средства определения вида разрушения, происходящего при плоскодеформированном и плосконапряженном состоянии [219].

Проведены [216] обширные исследования по анализу АЭ при усталостном росте трещины. Регистрация АЭ осуществлялась с помощью системы для определения координат развивающихся дефектов. Приводился анализ источников АЭ для трубкой углеродистой (0,21% С), стали А533В и присадочного сплава ферритного класса. Образцы удовлетворяли условиям реализации плоскодеформированного состояния при распространении трещины. АЭ вблизи максимального значения нагрузки цикла связывалась с формированием зоны пластической деформации у вершины трещины. Кроме того, установили, что источником АЭ являлась зона позади вершины при захлопывании трещины. При увеличении размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔК активность АЭ увеличивалась (причем зависимость носила линейный характер для стали А533В), а суммарный счет импульсов АЭ N_e при образовании трещины единичной площади не зависел от скорости роста трещины. Обнаружена прямо пропорциональная зависимость между N_e и площадью прироста трещины S: N_e=γS, что позволило выделить параметр γ, равный отношению N/S, зависящий от условий испытания и меняющийся в пределах 2−44 события на 1 мм². Амплитудный анализ спектра АЭ, проведенный для стали А533В, показал, что с увеличением ΔК до значения 67 МН/м^3/2 активизируются высоко-амплитудные источники АЭ.

В обзорной работе [71] приводятся результаты, полученные для стали D6aC. Скорость усталостной трещины оказалась прямо пропорциональна амплитуде АЭ за цикл. Как для малоцикловой, так и для многоцикловой усталости [215, 167, 210, 220, 221] метод АЭ позволяет определить начало роста усталостной трещины, а также за несколько тысяч или десятков тысяч циклов до макроскопического разрушения предвидеть его по резкому возрастанию суммарного счета или амплитуды АЭ. Например, изучение АЭ при многоцикловых испытаниях высокочистого алюминия [220] показывает, что пиковое значение амплитуды дискретной АЭ достигает максимума при зарождении и начале распространения трещины, после чего уровень АЭ падает. Следующее резкое увеличение как непрерывной, так и дискретной АЭ начинается за 10000 циклов до разрушения. Таким образом, использование АЭ при усталостных режимах нагружения указывает на устойчивые качественные и полуколичественные связи между параметрами АЭ и закономерностями накопления усталостных повреждении. Регистрация АЭ связана со значительными трудностями аппаратурного и методического характера, определяемыми спецификой усталостного нагружения и условий регистрации АЭ. Можно отметить представляющие значительный интерес для прогнозирования остаточного ресурса связи между коэффициентом интенсивности напряжений и суммарным счетом АЭ. Пропорциональность между суммарным счетом АЭ и приростом площади трещины позволит упростить методику определения длины и площади трещины и, в конечном счете, развить метод определения скорости распространения усталостной трещины, являющейся основным параметром при реализации концепций линейной механики разрушения.