Процесс усталостного разрушения делится на три стадии [1–3]:

– поиск «слабого места» в материале (инкубационный период);

– накопление пластической деформации, приводящей к образованию микротрещин, а затем их слиянию (развитию) в макротрещину;

– распространение усталостной трещины до разрушения конструкции (рис. 1.).

Рисунок 1. Модифицированная обобщенная кривая усталости:

N_G – максимальная долговечность при разрушении;
N_k – базовое число циклов;
σ_в – предел прочности;
σ_п – напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой усталости;
σ_к – пороговое циклическое напряжение при переходе от малоцикловой усталости к многоцикловой;
σ_R – предел выносливости;
1 – стадия накопления повреждений до образования магистральной трещины;
‚2 – стадия развития магистральной трещины

Стадия развития усталостной трещины (третья стадия) достаточно хорошо описывается закономерностями, базирующимися на коэффициенте интенсивности напряжений в вершине трещины. Экспериментальное нахождение зависимости скорости роста трещины усталости от коэффициента интенсивности напряжений для различных воспроизводимых внешних факторов позволяет прогнозировать ресурс конструкции от начала образования усталостной трещины до достижения ею критического размера, за которым следует самопроизвольное разрушение конструкции под действием накопленной в ней упругой энергии. На практике менее 20–25% расчетного срока службы широкофюзеляжного самолета приходится на работу материала с трещинами [4–6]. Основное время функционирования самолета приходится на эксплуатацию без видимой усталостной трещины, что должно соответствовать моменту возникновения трещины при усталостных испытаниях элементарных образцов. Следовательно, важной характеристикой усталостного разрушения является обнаружение и фиксация момента образования трещины усталости. Решение этой проблемы позволило бы наряду с классическими усталостными зависимостями «σ–N» иметь кривые начала образования трещины «σ–N₀», что дало бы возможность конструктору более корректно прогнозировать ресурс изделия [7–9].

Работы по определению количества циклов, при котором образуется магистральная трещина, интенсивно проводились во ФГУП «ВИАМ», ФГУП «ЦАГИ» и ОАО «ВИЛС» в 70–80-х годах прошлого века [10, 11], и наиболее значимые результаты нашли отражение в справочнике «Авиационные материалы». В справочнике приводятся данные по полуфабрикатам сплава В95п.ч./о.ч. Для неплакированного листа сплава В95п.ч. толщиной 6 мм для поперечных образцов в состоянии Т1 (после термообработки: закалка+искусственное старение) средние значения усталостной долговечности составляли N_0ср=112 кцикл (106–117 кцикл – диапазон изменения N₀), а в состоянии Т2 (после термообработки: закалка+искусственное старение с перестариванием) – N_0ср=153 кцикл (104–248 кцикл). Испытания проводились на образцах шириной 50 мм с центральным отверстием диаметром 5 мм с частотой 40 Гц при максимальном напряжении σ^нетто=127 МПа и асимметрии цикла R=0. Аналогичные исследования были проведены и для сплава Д16. Начало появления трещины для неплакированого листа толщиной 9 мм из сплава Д16 для продольных образцов в состоянии Т (после термообработки: закалка+естественное старение) при аналогичных условиях испытаний и идентичных образцах характеризовалось только диапазоном изменения числа циклов до начала образования трещины N₀=130–403 кцикл. Полученные результаты позволяют сделать только качественную оценку испытанных сплавов при данных условиях испытаний.

Ограниченность данных по характеристике начала образования усталостной трещины обусловлена методическими трудностями ее определения. Единственный работоспособный метод регистрации начала образования усталостной трещины базировался на использовании датчиков вихревого тока, которые позволяли фиксировать очаг разрушения по всей поверхности отверстия. Однако сложности аппаратурного решения, необходимость использования уникальных приборов неразрушающего контроля, постоянный контроль и тарировка системы измерений крайне затрудняли использование данного метода.

Развитие испытательной техники, в частности резонансных машин для испытания на усталость, предоставило возможность использовать их как измерительный инструмент. Наличие обратной связи по нагрузке и возможность контроля частоты нагружения на резонансных системах последних разработок дают основание для регистрации начала разрушения, т. е. определения момента образования усталостной трещины. Данная возможность обусловлена изменением жесткости образца, связанной с частотой резонансных колебаний следующим образом [12]:

                                                    (1)

где m₁ – масса подвижных частей возбудителя колебаний; m₂ – нагружающая масса; С – жесткость образца.

В соответствии с рис. 1 и формулой (1) на 1-й стадии изменение резонансной частоты при усталостных испытаниях вызывается изменением жесткости образца, обусловленным накоплением усталостных повреждений. Жесткость образца определяется модулем упругости материала и его геометрией:

                                                            (2)

где Е – модуль упругости; l – длина образца; S(x) – переменная по длине площадь поперечного сечения образца.

На 2-й стадии в изменение резонансной частоты наибольший вклад вносит наличие усталостной трещины и, как следствие, изменение жесткости всей резонансной системы. Поскольку усталостная нагрузка на образец сохраняется постоянной, то при изменении жесткости системы должна изменяться частота нагружения для данных условий испытаний.

Для исследования возможности регистрации момента образования трещины усталости использовали испытательную резонансную машину Zwick/Amsler 100 HFP 5100 (рис. 2), обеспечивающую реализацию максимальной амплитуды переменной нагрузки, равной 50 кН. Диапазон частот испытаний на машине Zwick/Amsler 100 HFP 5100 находится в пределах 30–300 Гц и зависит от жесткости образца и различной присоединенной массы в самой машине. Система регистрации параметров испытаний машины Zwick/Amsler 100 HFP 5100 позволяет фиксировать частоту испытаний и количество циклов с выводом на экран дисплея графиков зависимости частоты испытаний от количества установленных и поддерживаемых неизменными в процессе испытания циклов нагружения.

Рисунок 2. Испытательная высокочастотная резонансная машина Zwick/Amsler 100 HFP 5100

Объектом испытаний были выбраны образцы из листов сплавов 1163-АТВ, В-1469-Т и В95п.ч.-АТ1 [13–15] толщиной 1,4; 1,4 и 1,9 мм соответственно. Исследование усталостных характеристик проводилось на образцах длиной 220 мм, шириной 36 мм. Образцы вырезались в поперечном к направлению прокатки направлении, подвергались анодированию. Затем формировался концентратор напряжений последовательным сверлением центрального отверстия диаметром 4 и 5,8 мм с разверткой последнего на 6 мм, что обеспечивало реализацию коэффициента концентратора напряжений, равного K_t=2,6. Усталостные испытания проводились при асимметричном цикле нагружения с асимметрией R=0,1.

На образцах из сплава В95п.ч.-АТ1 проведена оценка момента образования трещины усталости в зависимости от максимального напряжения цикла. Характер изменения резонансной частоты при испытаниях в зависимости от числа циклов нагружения представлен на рис. 3 для максимальных напряжений цикла  118; 157 и 196 МПа. Для оценки долговечности N₀ необходимо знать момент появления начальной трещины L₀, где L₀ равна сумме двух начальных трещин по обе стороны отверстия [16, 17]. За критерий появления начальной трещины примем момент появления изменения жесткости образца, определяемый следующим образом: на графике «изменение частоты–число циклов» продлеваем прямолинейный участок и находим точку касания этой линии с графиком, в которой имеет место резкое падение частоты.

Рисунок 3. Характер изменения резонансной частоты в зависимости от числа циклов на образцах из сплава В95п.ч.-АТ1 для максимальных напряжений цикла  118 (––); 157 (– –) и 196 МПа (-·-)

Рисунок 4. Образец из сплава В95п.ч.-АТ1 после испытания на усталость (а) и схема излома по усталостной трещине (б)

Размер L₀ (или площадь усталостной зоны S₀) определяли экспериментально. На стадии появления усталостной трещины машину останавливали и разрушали образец статически. По излому с помощью инструментального микроскопа определяли расположение начальных трещин и их суммарную площадь. При разрушении образца из сплава В95п.ч.-АТ1 (рис. 4, а) было получено, что изменение частоты соответствует образованию трещины (рис. 4, б) площадью 0,5–0,6 мм².

Результаты испытаний образцов из сплава В95п.ч.-АТ1 представлены в табл. 1, в которой проведена оценка отношения усталостной долговечности по моменту образования трещины усталости N₀ к общей долговечности образца N_р, определяемой его разрушением.

Таблица 1

Усталостная долговечность образцов из сплава В95п.ч.-Т1

Для образцов из листов сплавов 1163-АТВ, В-1469-Т и В95п.ч.-АТ1 при максимальном напряжении в нетто-сечении, равном 157 МПа, результаты испытаний представлены в табл. 2.

Таблица 2

Усталостная долговечность образцов из сплавов 1163-АТВ, В-1469-Т и В95п.ч.-АТ1

Таким образом, испытательная машина резонансного типа Zwick/Amsler 100 HFP 5100 может использоваться для оценки момента образования трещины усталости при величине ее площади равной 0,5–0,6 мм². При относительно большой разнице усталостных долговечностей N_р сплавов 1163-АТВ и В-1469-Т средние величины N₀/N_р для этих сплавов, характеризующие отношение усталостной долговечности по моменту образования трещины к полной долговечности образца, достаточно близки и составляют 0,72–0,75. Сплав В95п.ч.-АТ1 при минимальной усталостной долговечности N_р по сравнению со сплавами 1163-АТВ и В-1469-Т имеет наибольшую среднюю величину N₀/N_р=0,80, указывающую на относительно более позднее зарождение усталостной трещины.

Авторский коллектив выражает благодарность Рудакову Алексею Григорьевичу за вклад в проведение работы.