Influence of external flows on crystal growth: numerical investigation

We use a combined phase-field/lattice-Boltzmann scheme [D. Medvedev, K. Kassner, Phys. Rev. E {\bf 72}, 056703 (2005)] to simulate non-facetted crystal growth from an undercooled melt in external flows. Selected growth parameters are determined numerically. For growth patterns at moderate to high undercooling and relatively large anisotropy, the values of the tip radius and selection parameter plotted as a function of the Peclet number fall approximately on single curves. Hence, it may be argued that a parallel flow changes the selected tip radius and growth velocity solely by modifying (increasing) the Peclet number. This has interesting implications for the availability of current selection theories as predictors of growth characteristics under flow. At smaller anisotropy, a modification of the morphology diagram in the plane undercooling versus anisotropy is observed. The transition line from dendrites to doublons is shifted in favour of dendritic patterns, which become faster than doublons as the flow speed is increased, thus rendering the basin of attraction of dendritic structures larger. For small anisotropy and Prandtl number, we find oscillations of the tip velocity in the presence of flow. On increasing the fluid viscosity or decreasing the flow velocity, we observe a reduction in the amplitude of these oscillations.Comment: 10 pages, 7 figures, accepted for Physical Review E; size of some images had to be substantially reduced in comparison to original, resulting in low qualit

Numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung des Ermüdungsrisswachstums unter thermozyklischer Beanspruchung

Das Ermüdungsverhalten des austenitischen Stahls X6CrNiNb18-10 (AISI 347) wurde grundlegend untersucht. Die Ermüdungsdaten wurden aus einer Vielzahl von Versuchen bei Raumtemperatur, erhöhter Temperatur und unter TMF-Bedingungen ermittelt und zu einer Datenbasis zusammengefasst. Der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten lag auf der Bestimmung von Daten für konstitutive Materialmodelle. Speziell ist die Identifizierung von Parametern, aber auch deren Entwicklung und Weiterentwicklung als auch die Validierung hervorzuheben. Die wesentlichen Ergebnisse des Einflusses von mechanischer und thermischer Belastung auf das zyklische Spannungs-Dehnungs-Verhaltens und der Ermüdungsfestigkeit werden gezeigt. Die Untersuchungen wurden über ein weites Spektrum von Belastungsparametern durchgeführt und beziehen sich auf mechanische, thermische und kombinierte Belastungen sowie andere Einflussgrößen wie unterschiedliche Oberflächenrauheit und Eigenspannungen in der Oberfläche. Metallographische Untersuchungen zeigen einen der Gruppe der austenitischen Werkstoffe eigenen Effekt der mechanisch induzierten Gitterstrukturumwandlung auf. Uniaxiale Experimente zeigen einen signifikanten Einfluss der Temperatur und einen signifikanten Einfluss extremer Oberflächenrauheit auf. Weitere uniaxiale TMF-beaufschlagte Versuche zeigen eine Reduktion der Ermüdungsfestigkeit auf. An- und Abfahrvorgänge von Komponenten kerntechnischer Anlagen wurden ebenfalls an Kreuzproben experimentell simuliert. Diese komplexen Experimente wurden als Grundlage für die Parameterindentifikation und zur Validierung von komplexen elasto-plastischen Materialmodellen eingesetzt. An Kreuzproben ist die Abminderung der Lebensdauer relativ ausgeprägt. Finite-Elemente-Simulationen kommen zur Beschreibung des Ermüdungsrisswachstums bei thermozyklischer Beanspruchung zum Einsatz. Am Beispiel eines dickwandigen Rohres werden für acht Temperaturtransienten – definiert durch die Verläufe von Temperatur (des durch das Rohr strömenden Fluids), Wärmeübergangskoeffizient und Rohrinnendruck – die wesentlichen Größen für die Risswachstumsrate bestimmt, das effektive zyklische J-Integral bzw. die effektive Rissspitzenöffnungsverschiebung. Eine Approximationsfunktion zur Beschreibung des effektiven zyklischen J-Integrals ermöglicht die Modellierung ohne Abbildung des Risses im Geometriemodell

Numerical simulation and experimental characterisation of fatigue crack growth under thermocyclic loading

The fatigue behavior of the austenitic stainless steel X6CrNiNb18-10 (1.4550, AISI 347) is investigated. Experimental data are generated at room temperature, at elevated temperatures and further under thermo-mechanical conditions. Research is focused on generating data for parameter identification, especially for the improvement of material models. The influence of temperature on the stress-strain behavior and the fatigue life is presented. Finite element simulations are used to describe fatigue crack growth under thermo-cyclic loading conditions. Using the example of a thick-walled tube, the essential parameter for the crack growth rate—the effective cyclic J-integral—is determined for eight temperature transients (defined by fluid temperature, heat transfer coefficient and inner pressure). An approximation of the effective cyclic J-integral allows modeling without consideration of the crack geometry in the model