《Materialia》：Acoustic emission tracking of Lüders-band fronts and fatigue fracture in NiTi: Validation by digital image correlation
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形状记忆合金（SMA）的声发射（AE）监测具有挑战性，因为AE源既来自微观可逆马氏体相变，也来自宏观不可逆疲劳断裂。本研究提出一种双传感器AE源定位框架，用于追踪局部化相变的时空演化并捕捉超弹性NiTi条带在拉伸载荷下的最终疲劳断裂。AE定位结果进一步通过光学
形状记忆合金（SMA）的声发射（AE）监测具有挑战性，因为AE源既来自微观可逆马氏体相变，也来自宏观不可逆疲劳断裂。本研究提出一种双传感器AE源定位框架，用于追踪局部化相变的时空演化并捕捉超弹性NiTi条带在拉伸载荷下的最终疲劳断裂。AE定位结果进一步通过光学观察和数字图像相关（DIC）进行独立验证。在应力诱发相变过程中，检测到的AE源跟随一个或两个Lüders带前沿的形核与扩展，而在当前采集条件下静止前沿几乎不产生可检测的AE活动。相同的定位程序还精确识别了不同循环加载试样的最终断裂位置，与相应的光学测量结果一致。此外，相变相关事件的主频成分主要集中在400–1000 kHz，而最终断裂事件在当前传感器和采集配置下以低于200 kHz的成分为主。这些结果建立了一个可靠的框架，将AE源定位与频率分析相结合，以区分相变相关活动与最终断裂事件，并识别它们在时间和空间上的发生。因此，所提出的方法为细长NiTi构件的原位状态监测提供了一种稳健的无损工具。
**研究背景与问题**
形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMAs）特别是超弹性NiTi合金在工程中应用广泛，其应力诱发马氏体相变属于一级相变，通过界面形核与扩展（即局部化相变，以Lüders带形式呈现）进行。这种局部化相变的位置与材料疲劳失效密切相关，因此不仅需要知道相变发生的时间，还需要确定其空间位置。声发射（Acoustic Emission, AE）技术已广泛用于工程材料损伤监测，但在SMA领域，现有研究主要集中于全局AE参数（如撞击计数、幅值分布、雪崩统计等），仅能反映相变事件何时发生，对事件发生位置的信息有限。虽然已有研究探索了AE源定位用于马氏体相变研究的潜力，但在Lüders带扩展过程中实现可靠定位仍面临挑战：相变前沿构成弥散的空间分布源区而非点源；奥氏体与马氏体共存导致弹性性质和波速空间变化，影响基于恒定波速假设的定位精度。因此，在将AE定位应用于NiTi局部化相变监测之前，需要采用独立的全场测量技术进行实验验证。
**研究内容与结论**
研究人员采用双传感器AE源定位方法追踪细长超弹性NiTi试样中应力诱发马氏体相变和最终疲劳断裂产生的声学活动。通过信号到达时间差估算源位置，并利用光学成像和数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）测量的Lüders带前沿位置进行独立验证。研究了单前沿和双前沿同时扩展两种情形，并将相同AE程序应用于四个循环加载试样的最终断裂事件定位。此外，比较了相变相关信号与断裂相关信号的频率特征，评估频率辅助事件区分的可行性。研究结果表明，AE定位源位置能够追踪单个和双个Lüders带前沿的运动，与DIC测量结果高度一致；相同定位方法精确识别了四个循环加载试样的最终断裂位置，与断后光学观察吻合；相变相关AE信号主频集中在约400–1000 kHz，而最终断裂事件在四个试样中均表现出约或低于200 kHz的显著成分。该研究为细长NiTi构件的AE基局部化相变和最终断裂监测提供了实验验证的基础。
**关键技术方法**
研究人员采用双传感器AE源定位框架，基于两传感器信号到达时间差和一维波传播假设估算源位置，有效波速约5500 m/s（通过铅笔芯断裂测试校准）。试样为商用超弹性多晶NiTi条带（标距25 mm×宽2.5 mm×厚0.2 mm，Af≈10°C），在位移控制下以5×10
?4 s
?1名义应变率进行单轴拉伸，疲劳实验在7.2%应变和10 MPa应力之间循环加载至断裂。同步采用全局相机记录表面并利用DIC获取轴向应变场作为独立参考。AE信号经40 dB前置放大，采样频率10 MS/s，检测阈值40–45 dB。
**研究结果**
**3.1 单个扩展Lüders带前沿的AE定位**
通过单调拉伸试验中AE定位源位置与DIC追踪的Lüders带前沿对比，发现形核后相变带以两个前沿向试样两端扩展，上前沿到达监测区边界后停止运动，下前沿持续扩展。在t
d至t
h之间，静止上前沿几乎不产生可检测AE活动（低于采集阈值），而移动下前沿持续产生AE事件。AE源位置总体上追踪了DIC测量的前沿路径，证实双传感器装置能有效记录细长NiTi试样中移动相变前沿的时空发展。AE源位置的离散性部分源于相变区的有限空间范围和复杂形貌——宏观Lüders带前沿在薄条带中可能分叉为众多小尺度窄相变带，实验观察到的前沿应理解为扩展的活跃相变区域而非数学上锐利的界面。
**3.2 双前沿同时扩展的追踪**
在Lüders带于试样中心附近形核并向相反方向扩展的拉伸试验中，AE源位置形成两条与DIC观察到的上下前沿路径对齐的分支，表明双传感器方法能检测多个活跃相变区（只要AE事件在时间上足够区分以进行准确定位）。宏观Lüders带形核之前，AE事件在较大区域内被检测到，表明即使在清晰宏观带形成之前相变活动已在空间上分布。带形成后，AE源集中于两个扩展前沿附近。定量评估显示，在DIC监测区间内91.6%的定位AE源落在DIC定义的前沿区域内，而两个前沿区域平均仅占25 mm标距的21.7%（时间平均组合空间范围约5.4 mm）。从时空角度看，加载过程中的AE活动可区分为连续阶段：宏观Lüders带出现前的分布式声学活动、带形核相关的局部化活动、以及随后集中于扩展相变前沿的AE源。代表性波形分析表明，尽管宏观相变阶段不同，主频成分基本保持在约400–1000 kHz范围内。
**3.3 最终疲劳断裂的AE定位与频谱特征**
四个循环加载试样的AE定位断裂位置与断后光学分析结果密切匹配，证实了该定位方法对最终断裂事件的一致性。断裂相关波形与相变相关波形存在显著差异：断裂相关成分低于S9225传感器标称工作频段（300–1800 kHz），但该频段并非严格检测极限——传感器灵敏度具有频率依赖性，当传感器响应非零且信号超过噪声水平和采集阈值时，标称频段外的成分仍可被检测到。四个试样中可重复的频谱差异支持在当前配置下利用频率辅助区分相变与最终断裂。需要注意的是，这些频率范围不应被视为材料固有的通用特征，测得的频谱反映声源机制、传感器-试样传递特性和波传播条件的综合影响，特定于当前0.2 mm厚NiTi条带、S9225传感器、耦合程序和采集配置。
**3.4 方法局限性与AE监测启示**
相变相关事件的定位精度低于最终断裂事件，部分原因是扩展Lüders带前沿并非理想点源——活跃相变区可能弥散分布，包含多个经历形核、合并或湮灭的窄带，其空间范围可与试样宽度相当。定位不确定度还可能来自恒定有效波速假设：应力诱发马氏体相变过程中奥氏体和马氏体的分数与分布变化会改变NiTi的有效弹性和声学性质，基于文献的一阶近似估计纵波速度的相变相关变化约为2–3%。一阶灵敏度分析表明，有效波速3%的均匀变化在25 mm标距内产生约0.38 mm的最大位置变化；到达时间差0.1和0.2 μs的不确定度分别对应约0.28和0.55 mm的位置变化。此外，当前方法将细长NiTi条带视为近似一维波导，试样几何尺寸可能影响波衰减、色散和定位不确定度，扩展至板状或三维SMA构件需要额外传感器和适当的定位模型。
**讨论与结论**
研究人员评估了双传感器声发射方法用于细长超弹性NiTi试样中应力诱发马氏体相变和最终疲劳断裂时空定位的能力。主要结论如下：（1）AE定位源位置追踪了单个和双个Lüders带前沿的运动，定位结果通过DIC独立验证；在当前采集条件下静止前沿显示极少可检测AE活动，而移动前沿在活跃相变区产生空间分布的声源；相同定位方法精确确定了四个循环加载试样的最终断裂位置，与断后光学观察一致。（2）在当前测量配置下，相变相关AE信号主要以约400–1000 kHz频率成分为特征，而最终断裂事件在四个试样中一致表现出约或低于200 kHz的显著成分；这些可重复的频谱差异表明AE频率特征可为区分NiTi试样中应力诱发马氏体相变与最终断裂提供补充信息。当前方法假设近似一维波传播和恒定有效波速，扩展至更复杂几何和服务条件之前需要进一步验证。尽管如此，研究结果为细长NiTi构件中局部化相变和最终断裂的AE基监测提供了经实验验证的基础。未来长期监测应用可通过自适应波速校准、稳健传感器耦合、环境噪声耐受采集策略以及复杂构件几何的多传感器定位来进一步完善该框架，推动当前实验室规模方法向实际服役条件下SMA构件的原位状态监测发展。
