Abstract The morphology of the fatigue crack in nodular cast iron has great influence on the material performance under cyclic loading. In contrast to previous phenomenological studies, the present work attempts to unravel a relation between the crack propagation path and the micro-mechanical fields developing at the microstructural level. To this end, a fatigue crack in a compact tension specimen is imaged with X-ray tomography and a new segmentation procedure based on digital volume correlation is used to distinguish the part of the crack growing in the matrix from the graphite nodules. The micromechanical fields surrounding the tip of the notch as well as the tip of the fully developed fatigue crack are estimated via 3D microstructure-resolved finite element models, whose size is maintained small compared to the specimen by using boundary conditions measured in-situ with digital image correlation. The numerical fields are compared to the location of the crack nucleation site as well as to the crack growth direction. A weak correlation is found between the nucleation site and the equivalent plastic strain, suggesting that nucleation is controlled by plasticity occurring at a lower scale. On the other hand, a clear correlation is revealed between the crack growth direction and the direction perpendicular to the maximum principal stress. Based on this result, a mechanism is proposed to explain the step-like features characterizing the shape of the fatigue crack in nodular cast iron.

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球墨铸铁微观力学场与疲劳裂纹扩展路径的相关性分析

摘要 球墨铸铁疲劳裂纹的形貌对循环载荷作用下的材料性能影响很大。与以前的现象学研究相反，本工作试图解开裂纹扩展路径与微观结构水平上发展的微机械场之间的关系。为此，使用 X 射线断层扫描对紧凑拉伸试样中的疲劳裂纹进行成像，并使用基于数字体积相关性的新分割程序来区分基体中生长的裂纹部分与石墨结节。通过 3D 微观结构解析的有限元模型估计缺口尖端以及完全发展的疲劳裂纹尖端周围的微机械场，通过使用具有数字图像相关性的原位测量边界条件，其尺寸与样品相比保持较小。将数值场与裂纹成核位置的位置以及裂纹扩展方向进行比较。在成核位点和等效塑性应变之间发现弱相关性，表明成核是由发生在较低尺度上的塑性控制的。另一方面，裂纹扩展方向与垂直于最大主应力的方向之间显示出明显的相关性。基于这一结果，提出了一种机制来解释表征球墨铸铁疲劳裂纹形状的阶梯状特征。将数值场与裂纹成核位置的位置以及裂纹扩展方向进行比较。在成核位点和等效塑性应变之间发现弱相关性，表明成核是由发生在较低尺度上的塑性控制的。另一方面，裂纹扩展方向与垂直于最大主应力的方向之间显示出明显的相关性。基于这一结果，提出了一种机制来解释表征球墨铸铁疲劳裂纹形状的阶梯状特征。将数值场与裂纹成核位置的位置以及裂纹扩展方向进行比较。在成核位点和等效塑性应变之间发现弱相关性，表明成核是由发生在较低尺度上的塑性控制的。另一方面，裂纹扩展方向与垂直于最大主应力的方向之间显示出明显的相关性。基于这一结果，提出了一种机制来解释表征球墨铸铁疲劳裂纹形状的阶梯状特征。裂纹扩展方向与垂直于最大主应力的方向之间显示出明显的相关性。基于这一结果，提出了一种机制来解释表征球墨铸铁疲劳裂纹形状的阶梯状特征。裂纹扩展方向与垂直于最大主应力的方向之间显示出明显的相关性。基于这一结果，提出了一种机制来解释表征球墨铸铁疲劳裂纹形状的阶梯状特征。