Долговечность конструкции в процессе эксплуатации базируется на механических характеристиках конструкционных материалов и определяется не только механической повреждаемостью материала, но и уровнем его коррозионного поражения [1, 2]. В ряде случаев летательные аппараты снимались с эксплуатации в связи с коррозионными поражениями, критичными для безопасности изделий, значительно раньше расчетного ресурса, определенного исходя из характеристик усталостной долговечности материалов, полученных в лабораторных испытаниях при переменных напряжениях без воздействия влаги [3].

Необходимость учета коррозионных воздействий диктуется основным законом, которым руководствуются при проектировании авиационных конструкций, – Нормами летной годности [4]. В параграфе 25.603 (Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории), посвященном выбору материала, устанавливается, что «Пригодность и долговечность материалов, используемых для изготовления деталей, поломка которых может отрицательно повлиять на безопасность, должны:

(а) Определяться по опыту или путем испытаний.

(b) Соответствовать утвержденным техническим условиям (ТУ), гарантирующим прочность и другие свойства, принятые в расчетных данных.

(с) Оцениваться с учетом влияния окружающих условий, ожидаемых в эксплуатации, таких, как температура и влажность».

Параграф 25.603 АП (Часть 25), затрагивая проблему коррозионного воздействия при эксплуатации авиационных конструкций, не регламентировал условия ее выполнения. Данное общее требование о необходимости учета влияния влажности конкретизировалось требованием параграфа 25.609 «Защита элементов конструкции», в котором указывается: «Каждый элемент конструкции должен быть:

(a) Соответствующим образом защищен от снижения или потери прочности в процессе эксплуатации по любой причине, включая: (1) Атмосферные воздействия; (2) Коррозию; (3) Истирание.

(b) Обеспечен достаточными средствами вентиляции и дренажирования, если это необходимо для защиты».

При сертификации самолета установление соответствия данным требованиям обеспечивалось на основе спецификации на изделие, в которой фиксировалась система защиты от коррозии для всех деталей, разрушение которых могло отрицательно повлиять на безопасность конструкции. Обоснованность выбора системы защиты определялась компетентными в области коррозии авиационных материалов специалистами  ВИАМ.

В последней редакции АП Часть 25 (2009 г.) в параграфе 25.613 «Прочностные характеристики материалов и их расчетные значения» впервые появилось требование по обоснованию расчетных значений с учетом влажности. Для исключения неточности при толковании данного параграфа приведем его максимально полно:

«(а) Прочностные характеристики материалов должны определяться на основании достаточного количества испытаний с тем, чтобы расчетные значения можно было устанавливать на основе статистики.

(b) Расчетные значения следует выбирать таким образом, чтобы уменьшить вероятность разрушений конструкции из-за непостоянства свойств материалов. За исключением требований, приведенных в пунктах (е) и (f) настоящего параграфа, соответствие должно быть показано путем выбора расчетных значений, которые обеспечивают прочность материала со следующей вероятностью:

(1) 99% – с 95%-ным доверительным интервалом, когда приложенные нагрузки передаются через единичный элемент агрегата, разрушение которого приводит к потере конструктивной целостности агрегата.

(2) 90% – с 95%-ным доверительным интервалом для статически неопределимой конструкции, в которой разрушение любого отдельного элемента приводит к тому, что приложенные нагрузки безопасно распределяются по другим несущим элементам.

(с) Должно учитываться влияние условий окружающей среды, таких как температура и влажность, на расчетные значения применяемых в ответственных элементах или узлах конструкции материалов, если в диапазоне условий эксплуатации самолета это влияние является существенным».

Впервые в требованиях по определению расчетных значений прочностных характеристик в последней редакции АП Часть 25 (2009 г.) установлено требование по учету влажности.

Новая формулировка параграфа по оценке расчетных значений прочностных характеристик ставит крайне сложную задачу перед конструкторами, поскольку не разработаны методики оценки воздействия влажности на прочностные характеристики металлических материалов. Этот факт приходится учитывать на фоне огромного числа исследований по влиянию коррозионной среды на металлические материалы. Причина кроется не столько в многообразии механизмов коррозионного поражения, сколько в невозможности при лабораторных испытаниях воспроизвести временны́е условия коррозионных воздействий, имеющих место в эксплуатации. Ускорение коррозии путем использования более агрессивной среды и температурного фактора меняют механизм коррозии и приводят к необоснованно завышенным коррозионным поражениям. Методики по оценке сопротивления материалов коррозионным воздействиям только ранжируют материалы в некоторый ряд, но не дают основание для оценки расчетных значений прочностных характеристик. Даже прямые испытания материалов при совместном воздействии переменных нагрузок и коррозионной среды не позволяют дать оценку расчетным значениям прочностных характеристик, поскольку продолжительность механических испытаний недостаточна для реализации коррозионных процессов, имеющих место при длительной эксплуатации.

Под расчетными характеристиками материалов понимаются прочностные характеристики, позволяющие определить предельные состояния конструкции [5, 6].

Предельные состояния возникают при действии статических и переменных нагрузок, а также при наличии трещиноподобных дефектов. Предельные состояния конструкции определяются при прямых испытаниях конструкции, которые могут быть выполнены на крайне ограниченном объеме экземпляров. Опирается пирамида испытаний (рис. 1) на огромное число испытаний стандартных образцов, что позволяет оценить ряд факторов (влияние температуры и коррозионной среды, разброс свойств материалов, различные схемы механической обработки и др.), которые невозможно определить при испытаниях натурной конструкции.

Рисунок 1. Пирамида испытаний, обосновывающая правомерность применения материала в конструкции

Оценка критического состояния материала в статически нагружаемой конструкции базируется на характеристиках материала, полученных при статических испытаниях стандартных образцов.

Расчетными характеристиками материалов при статическом нагружении являются: предел прочности при растяжении (σ_в); условные пределы текучести при растяжении и сжатии с допуском на остаточную деформацию 0,2% (σ_0,2, σ_0,2сж); предел прочности при смятии и предел текучести с допуском на овализацию 2% (σ_в.см, σ_2см); сопротивление сдвигу (τ); модуль нормальной упругости (Е); относительное удлинение после разрыва (δ); коэффициент Пуассона (μ). Данные характеристики являются основными характеристиками материала для оценки статической прочности конструкции при отсутствии температурных воздействий, которые могут повлиять на статическую прочность материала, а также привести к явлению ползучести.

В американском справочнике Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-02) прочностные характеристики (σ_в, σ_0,2, σ_0,2сж, σ_в.см, σ_2см, τ) приводятся со статической оценкой, т. е. по базису А и В. Однако для ряда полуфабрикатов данные характеристики приводятся по базису S (эквивалент отечественных технических условий на материал). Характеристики Е и μ в справочнике MMPDS-02 представлены типичными (средними) значениями (базис Т), а величина δ – базисом S.

Для расчета на прочность воздушного судна необходимы и физические параметры материалов: плотность, теплопроводность, теплоемкость и др., которые в справочнике MMPDS-02 представлены типичными значениями.

При действии на конструкцию переменных нагрузок, которые определяют ее ресурс, основными расчетными характеристиками материала являются характеристики усталостной долговечности. Результаты испытаний на усталостную долговечность обычно приводятся в виде зависимости N–f(σ) (напряжение–число циклов до разрушения). Для получения кривой усталости, которая строится по точкам, полученным при определенном шаге изменения нагрузки, американские нормы рекомендуют от 8 до 16 образцов. Поскольку для оценки усталостной долговечности материала крайне важно соотношение амплитуды и постоянной нагрузки цикла, то оценка усталости проводится при разном коэффициенте асимметрии цикла. Рекомендуемое количество образцов при этом возрастает до 48 штук. Крайне важной является оценка усталостной долговечности материала при разных концентраторах напряжения. Алюминиевые сплавы, составляющие основу планера самолета, испытываются в условиях управления по нагрузке («мягкий» цикл нагружения) при разных концентраторах напряжения.

Отечественная практика рекомендует оценку усталостной долговечности на двух или трех уровнях нагрузки с испытанием на каждом порядка 15 образцов. По этим двум или трем базам определяются коэффициенты зависимости «напряжение–число циклов до разрушения», которая в логарифмических координатах в диапазоне 10³–10⁵ циклов нагружения представляется прямой линией.

Не рассматривая преимущества и недостатки данных подходов при оценке усталостных характеристик материала, следует отметить, что в последней редакции АП Часть 25 (2009 г.) вводятся требования по статистической оценке характеристик усталости. Ранее подобные требования к характеристикам усталостной долговечности не выдвигались, а общий подход к оценке усталости и допустимой повреждаемости излагался в параграфе 25.571 АП Часть 25 «Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции».

Параграф 25.571 АП Часть 25 гласит – «оценка прочности, уровня проектирования и качества производства должна показать, что аварийной или катастрофической ситуации из-за усталости, коррозии, дефектов производства или случайного повреждения можно избежать в течение всего времени эксплуатации самолета».

В последней редакции АП Часть 25 требования по оценке расчетных значений появились в параграфе 25.613, отвечающем за расчетные характеристики и статистическое представление их расчетных значений. Пункт «d» параграфа 25.613 указывает, что «для обеспечения возможности выполнения расчетных оценок в соответствии с требованиями параграфа 25.571 должны быть определены номенклатура и статистически обоснованные уровни расчетных характеристик усталости и трещиностойкости материалов конструкции».

Следовательно, наряду с кривой усталости, представляющей средние значения усталостной долговечности, должны быть представлены статистически обоснованные показатели усталостной долговечности с заданным уровнем усталостной прочности и величиной доверительной вероятности. Логично предположить, что статистически обоснованные уровни расчетных характеристик усталости уже определены пунктом (b) параграфа 25.613, т. е. базисами А и В.

Оценка прочности конструкции при наличии трещиноподобных дефектов опирается на характеристики механики разрушения: K_1с – критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации, K_с – критический коэффициент интенсивности напряжений, K_с^усл – критический коэффициент интенсивности напряжений, рассчитанный по начальной длине трещины. В справочнике MMPDS-02 основная характеристика вязкости разрушения K_1с (коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации) представлена минимальными, средними, максимальными значениями и коэффициентом вариации.

Рассмотрим расчетные характеристики материалов, для которых влияние влаги значимо. Оценка расчетных характеристик по определению статической прочности металлических материалов при воздействии влаги не представляется целесообразным, поскольку коррозионное повреждение является процессом существенно растянутым по времени, если не рассматривать поверхностно-активные эффекты. Попытки растянуть время нагружения до нескольких суток не являются рациональными, поскольку в лучшем случае эти оценки могут ранжировать материалы для конкретных условий испытаний. Для оценки статической прочности металлической конструкции определяющим фактором является динамика коррозионного поражения, обусловливающая степень уменьшения рабочего сечения материала. При этом величины расчетных значений статической прочности материала остаются неизменными.

Оценка расчетных значений усталостных характеристик при воздействии влаги является наиболее сложной задачей. Очевидно, что влага существенно влияет как на зарождение усталостной трещины, так и на ее развитие. На необходимость учета воздействия влаги на усталостные характеристики указывали еще Г.В. Акимов, один из основоположников отечественной науки о коррозии металлов, и его учитель В.О. Крениг [7, 8].

Вопрос коррозионной усталости затрагивался и в последующих работах [9, 10]. Тем не менее проблема остается нерешенной и в настоящее время. Основная сложность оценки расчетных характеристик усталости при воздействии влаги, как и в случае статических характеристик, состоит в нестыковке временны́х параметров. Усталостные испытания образцов выполняются в течение нескольких часов или суток. Механическая повреждаемость, реализованная за время усталостных испытаний, может характеризовать повреждаемость, получаемую металлом за длительный процесс эксплуатации. Характеристика усталостной механической повреждаемости не зависит от времени, и эквивалентность повреждаемости устанавливается по уровню циклических напряжений и количеству циклов с учетом продолжительности нагружения.

Коррозионное поражение – это процесс достаточно протяженный во времени, который не удается сжать до нескольких суток. Ускоренные коррозионные испытания изменяют коррозионные условия, имеющие место в эксплуатации, и часто меняют механизм коррозионного поражения.

Проблема заключается в отсутствии критерия коррозионной повреждаемости, который мог бы установить эквивалентность коррозионного воздействия. В ВИАМ проведены всесторонние исследования данной проблемы [12–18]. В качестве критерия коррозионного поражения предложена величина поверхностной плотности электрического заряда. Эксперименты по оценке усталостной долговечности образцов при варьировании величиной поверхностной плотности электрического заряда показали его правомерность. На рис. 2 приведены результаты испытаний плоских образцов (толщина листа 1,5 мм) из сплава 1163-АТВ на усталость. Плоский образец представлял собой пластину с центральным отверстием, что при отношении диаметра отверстия к ширине образца d/В=0,167 обеспечивало коэффициент концентрации напряжений K_t=2,6. При одинаковом электрохимическом воздействии, но различной продолжительности воздействия получена одинаковая усталостная долговечность, что позволяет реализовать фактор «сжатия» времени, являющийся камнем преткновения для коррозионных испытаний. Предложенный критерий  не только фиксирует степень повреждения металла, но и дает основание для введения коррозионного повреждения в эквивалентный цикл усталостного нагружения.

Рисунок 2. Изменение усталостной долговечности листов из сплава 1163-АТВ при различных электрохимических воздействиях

Выполненные изыскания дают основание для нахождения расчетных значений прочностных характеристик материала при совместном воздействии переменных нагрузок и коррозионной среды.

Группа прочностных расчетных характеристик объединяет характеристики механики разрушения. К ним следует отнести вязкость разрушения, определяемую в условиях статического нагружения, и скорость роста трещины усталости (СРТУ), отражающую кинетику развития трещины при переменных нагрузках. Механика разрушения отражает процесс развития трещин в материале при воздействии переменных напряжений, учитывая коэффициент интенсивности напряжений в вершине развивающейся трещины. Нахождение зависимости СРТУ от коэффициента интенсивности напряжений – dl/dN–f(ΔK) – дает возможность прогнозирования остаточного ресурса конструкции при наличии обнаруженной усталостной трещины. Однако ранжирование материалов по СРТУ при испытаниях в конкретной среде и при конкретных частотах испытаний не означает получения расчетных характеристик. При оценке СРТУ в коррозионной среде исследователи сталкиваются со спецификой коррозионного поражения, обусловленного его временны́м фактором, что приводит к различным значениям СРТУ при различной частоте испытаний. Авторы полагают, что критерий коррозионной повреждаемости позволит и в случае характеристик механики разрушения привести данные к единому показателю [19–22].

Временно́й характер воздействия коррозионной среды будет значимым и при приложении постоянной нагрузки для тела, содержащего трещиноподобный дефект. Коррозионное воздействие с течением времени изменит состояние металла в вершине трещины, что приведет к ее развитию. Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений при воздействии коррозионной среды первоначально получило аббревиатуру K_scc (stress crack corrosion).

Для ряда материалов влага может оказаться поверхностно-активной средой, напрямую воздействующей на ювенильную поверхность развивающейся трещины. В этом случае воздействие влаги приведет к снижению критического коэффициента интенсивности напряжений и, как следствие, к уменьшению критической длины трещины. Прямой эксперимент с присутствием влаги при определении K_с;  и K_1с даст ответ на данный вопрос.

Резюмируя вышеизложенное, полагаем, что прочностными характеристиками для металлов, которые необходимы для определения прочности и надежности конструкции в условиях воздействия влаги, являются характеристики трещиностойкости и усталости, полученные с включением эквивалентной коррозионной повреждаемости в цикл усталостного нагружения.