The study at hand introduces a newapproach to characterize fatigue crack growth in small strain linear viscoelastic solids by configurational mechanics. In this study, Prony series with n-Maxwell elements are used to describe the viscoelastic behavior. As a starting point in this work, the local balance of energy momentum is derived using the free energy density. Moreover, at cyclic loading, the cyclic free energy substitutes the free energy. Using the cyclic free energy, the balance of cyclic energy momentum is obtained. The newly derived balance law at cyclic loading is appropriate for each cycle. In the finite element framework, nodal material forces and cyclic nodal material forces are obtained using the weak and discretized forms of the balance of energy momentum and cyclic energy momentum, respectively. The crack driving force and the cyclic crack driving force are determined by the nodal material forces and the cyclic nodal material forces, respectively. Finally, numerical examples are shown to illustrate path-independence of the domain integrals using material forces and cyclic material forces. The existence of the balance of energy momentum and cyclic energy momentum are also illustrated by numerical examples.

Pokročilá vysoce legovaná austenitická nerezová ocel Sanicro 25 s Fe-Ni-Cr matricí byla studována za podmínek nízkocyklové únavy za pokojové a vysoké teploty 700 °C. Široká škála moderních experimentálních technik byla použita ke studiu vzájemně souvisejících efektů chemického složení slitiny, mikrostrukturních změn a deformačních mechanismů, které určují odolnost materiálu vůči poškození. Hlavní úsilí bylo zaměřeno na studium iniciace únavových trhlin a růstu krátkých trhlin, tedy dvě stádia, která hrají zásadní roli ve výsledné celkové délce únavového života materiálu v provozu. • Vnitřní deformační mechanismy byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu, který je pozorován ve formě persistentních skluzových stop na povrchu. Bylo zjištěno, že vysoce planární charakter dislokačního skluzu způsobuje vysokou lokalizaci cyklické plastické deformace do persistentních skluzových pásů, což v důsledku vede k nukleaci “Stage I” trhlin, která je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na povrchu ve všech studovaných vzorcích. Bylo zjištěno, že praskání dvojčatových hraníc je taktéž spojeno s přítomností persistentních skluzových stop podél povrchové stopy dvojčatové roviny. • Interkrystalická iniciace únavové trhliny byla pozorována pouze zřídka, a to za podmínek zatěžování amplitudami vysoké deformace. Bylo zjištěno že interkrystalická iniciace je spojena s přítomností persistentních skluzových stop na hranicích zrn. Hranice zrn praskají za podmínek externího tahového zatížení zejména z důvodu vysokého počtu nekompatibilit na hranicích zrn, které jsou způsobené tvarem persistentních skluzových stop. • Mechanismy růstu přirozených krátkých trhlin byly studovány na vzorcích vystavených nízkocyklove únava s nízkou i vysokou deformací. Role mikrostruktury byla analyzována pomocí experimentálních technik a diskutována. • Rychlosti šíření nejdelších trhlin byly měřeny na vzorcích s mělkým vrubem. Výsledky byly analyzovány použitím přístupů lomové mechaniky založených na amplitudě KI a J-integrálu stejně jako na amplitudě plastické deformace. Všechny přístupy byly diskutovány v souvislosti s Mansonovými-Coffinovými křivkami únavové životnosti. Jednoduchý mocninový zákon růstu krátkých trhlin založený na amplitudě plastické deformace ukazuje velice dobrou korelaci se zákonem únavové životnosti. • Byla studována role oxidace v podmínkách cyklického zatěžování za vysokých teplot. Bylo zjištěno, že křehké praskání zoxidovaných hranic zrn hraje hlavní roli v počátečních stádiích nukleace trhlin. Později po iniciaci se dráha růstu trhliny mění preferenčně na transkrystalickou. Dráha šíření trhlin je velmi podobná dráze zjištěné při cyklování za pokojové teploty.

Additive manufacturing (AM) introduces high variability in the microstructure and defect distributions, compared with conventional processing techniques, which introduces greater uncertainty in the resulting fatigue performance of manufactured parts. As a result, qualification of AM parts poses as a problem in continued adoption of these materials in safety-critical components for the aerospace industry. Hence, there is a need to develop precise and accurate, physics-based predictive models to quantify the fatigue performance, as a means to accelerate the qualification of AM parts. The fatigue performance is a critical requirement in the safe-life design philosophy used in the aerospace industry. Fatigue failure is governed by the loading conditions and the attributes of the material microstructure, namely, grain size distribution, texture, and defects. In this work, the crystal plasticity finite element (CPFE) method is employed to model the microstructure-based material response of an additively manufactured Ni-based superalloy, Inconel 718 (IN718). Using CPFE and associated experiments, methodologies were developed to assess multiple aspects of the fatigue behavior of IN718 using four studies. In the first study, a CPFE framework is developed to estimate the critical characteristics of porosity, namely the pore size and proximity that would cause a significant debit in the fatigue life. The second study is performed to evaluate multiple metrics based on plastic strain and local stress in their ability to predict both the modes of failure as seen in fractography experiments and estimate the scatter in fatigue life due to microstructural variability as obtained from fatigue testing. In the third study, a systematic analysis was performed to investigate the role of the simulation volume and the microstructural constraints on the fatigue life predictions to provide informed guidelines for simulation volume selection that is both computationally tractable and results in consistent scatter predictions. In the fourth study, validation of the CPFE results with the experiments were performed to build confidence in the model predictions. To this end, 3D realistic microstructures representative of the test specimen were created based on the multi-modal experimental data obtained from high-energy diffraction experiments and electron backscatter diffraction microscopy. Following this, the location of failure is predicted using the model, which resulted in an unambiguous one to one correlation with the experiment. In summary, the development of microstructure-sensitive predictive methods for fatigue assessment presents a tangible step towards the adoption of model-based approaches that can be used to compliment and reduce the overall number of physical tests necessary to qualify a material for use in application.