Численно-экспериментальный анализ процессов растяжения-кручения цилиндрических образцов из стали 09Г2С при больших деформациях до разрушения

Изучение особенностей механического поведения материалов при сложном напряженном состоянии и больших деформациях, предшествующих разрушению, является актуальной задачей. В настоящей работе проведен экспериментальный и численный анализ особенностей процессов упругопластического деформирования сплошных цилиндрических образцов при пропорциональном кинематическом нагружении кручением-растяжением до разрушения. Установлено, что при совместном действии кручения-растяжения образуется шейка, радиус поперечного сечения которой больше, а длина меньше, чем при чистом растяжении, разрушение происходит по винтовой поверхности с максимальными сдвиговыми деформациями в зависимости от соотношения растяжения и кручения.
Полная система уравнений, описывающих обобщенные осесимметричные задачи кручения, записана в цилиндрической системе координат. Кинематические соотношения сформулированы в скоростях и построены в метрике текущего состояния, что позволяет учитывать большие формоизменения. Уравнение движения сплошной среды следует из уравнения баланса виртуальных мощностей. Поскольку рассматриваются процессы активного нагружения, близкие к пропорциональным, то упругопластические свойства материалов описываются теорией течения с нелинейным изотропным упрочнением. Для решения системы уравнений, дополненной кинематическими граничными и начальными условиями, использован метод конечных элементов в сочетании с явной схемой интегрирования типа «крест».
Для изучения влияния вида напряженного состояния на деформационное упрочнение стали 09Г2С построены истинные диаграммы деформирования при растяжении и кручении до разрушения, выявлено их существенное различие при деформациях более 15%. С учетом зависимости диаграммы деформирования от вида напряженного состояния получено хорошее совпадение результатов численного моделирования процессов деформирования с экспериментальными данными. Игнорирование вида напряженного состояния приводит к существенным различиям в определении критических значений усилий и моментов образования шеек и закритического поведения стержней.