Effect of Graphite Morphology on the Thermomechanical Performance of Compacted Graphite Iron

Abstract

Compacted graphite iron (CGI) has gained significant attention in automotive industry applications thanks to its superior thermomechanical properties and competitive price. Its main fracture mechanism at the microscale—interfacial damage and debonding between graphite inclusions and a metallic matrix—can happen under high-temperature service conditions as a result of a mismatch in the coefficients of thermal expansion between the two phases of CGI. Macroscopic fracture in cast iron components can be initiated by interfacial damage at the microscale under thermomechanical load. This phenomenon was investigated in various composites but still lacks information for CGI, with its complex morphology of graphite inclusions. This research focuses on the effect of this morphology on the thermomechanical performance of CGI under high temperatures. A set of three-dimensional finite-element models was created, with a unit cell containing a single graphite inclusion embedded in a cubic domain of the metallic matrix. Elastoplastic behaviour was assumed for both phases in numerical simulations. The effect of graphite morphology on the thermomechanical performance of CGI was investigated for pure thermal loading, focusing on a high-temperature response of its constituents. The results can provide a deeper understanding of the correlation between graphite morphology and CGI fracture mechanisms under high temperatures.

Study of the effect of a combined modifier from silicon production waste on the properties of gray cast iron

“…В процессе затвердевания чугуна способ роста графита и конечная морфология зависят от термодинамических условий и химического состава расплавленного чугуна. Согласно работам [8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][26][27][28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39] механизм формирования морфологии графита в чугуне следующий. Когда расплавленное железо достаточно чистое и в нем отсутствуют поверхностно-активные элементы (O, S или другие примеси), основным направлением роста графита является нормаль базовой плоскости (0001) (направление c), и графит будет преимущественно развиваться через спиральный рост в сферическую форму, поскольку он может происходить с минимальной энергией активации [20,21].…”

“…Тем не менее при анализе зарубежных и отечественных стандартов все подходы оценки субъективно изменяют форму графита от пластинчатой к узловатой с некоторыми более или менее вырожденными формами между ними. В работах [35][36][37][38] представлен новый подход к инструментальной оценке морфологических особенностей графита в процессе кристаллизации на основе термического анализа, совмещенного с оценкой расширения и сжатия при охлаждении. Механическая система расширения/ сжатия использовалась для оценки начального расширения чугунов, обработанных магнием, которое было идентифицировано как основной фактор, влияющий на чувствительность к усадке чугунов с различной морфологией графита [36].…”

“…Было обнаружено (рис. 6) [39], что образование графита привело к важному событию в начале затвердевания, а именно к начальному расширению во всех чугунах, содержащих графит, из-за силы, создаваемой образованием различной морфологии графита и приложенной к стенке формы [35,36]. Жидкое железо начинает охлаждаться и сжиматься сразу после заливки.…”

Microstructure-Based CZE Model for Crack Initiation and Growth in CGI: Effects of Graphite-Particle Morphology and Spacing

“…In the work of Muhond et al [8], some trace elements (S, B, Se) were observed to stabilise the flake or nodular growth morphology of graphite, while F, O, N, P failed to do so. In general, there are two main approaches used for modelling the mechanical behaviour of CGI: representative volume element (RVE) and unit cell [9][10][11][12]. To the best of the author's knowledge, these two approaches are widely used in the field of computational mechanics to simulate the fracture behaviours of heterogeneous materials.…”

“…Besides, XFEM is usually used to predict the stress-strain behaviour without a predefined crack [9,10]. With its need for additional degrees of freedom, XFEM may require more computational resources, while In general, there are two main approaches used for modelling the mechanical behaviour of CGI: representative volume element (RVE) and unit cell [9][10][11][12]. To the best of the author's knowledge, these two approaches are widely used in the field of computational mechanics to simulate the fracture behaviours of heterogeneous materials.…”