An advanced numerical procedure based on imaging of the material microstructure (Image- Based Finite Element Method or Image-Based FEM ) was extended and applied to model the thermomechanical behaviour of novel materials for fusion applications. Two tungsten based heterogeneous materials with different random morphologies have been chosen as challeng- ing case studies: 1) a two-phase mixed ductile-brittle W/CuCr1Zr composite and 2) vacuum plasma-sprayed tungsten (VPS-W 75 vol.%), a porous coating system with complex dual-scale microstructure. Both materials are designed for the future fusion reactor DEMO: W/CuCr1Zr as main constituent of a layered functionally graded joint between plasma-facing armor and heat sink whereas VPS-W for covering the first wall of the reactor vessel in direct contact with the plasma. The primary focus of this work was to investigate the mesoscopic material behaviour and the linkage to the macroscopic response in modeling failure and heat-transfer. Particular care was taken in validating and integrating simulation findings with experimental inputs. The solution of the local thermomechanical behaviour directly on the real material microstructure enabled meaningful insights into the complex failure mechanism of both materials. For W/CuCr1Zr full macroscopic stress-strain curves including the softening and failure part could be simulated and compared with experimental ones at different temperatures, finding an overall good agreement. The comparison of simulated and experimental macroscopic behaviour of plastic deformation and rupture also showed the possibility to indirectly estimate micro- and mesoscale material parameters. Both heat conduction and elastic behaviour of VPS-W have been extensively investigated. New capabilities of the Image-Based FEM could be shown: decomposition of the heat transfer reduction as due to the individual morphological phases and back-fitting of the reduced stiffness at interlamellar boundaries. The microstructure of VPS-W was included in planar as well as in three-dimensional models. In order to image the three-dimensional microstructure of the coating a synchrotron microto- mography was necessary. Because of the strong X-rays absorption from W, the measurement was a technical challenge. The tomographic reconstruction of a heterogeneous material where W has the main volume fraction required the design of a special sample geometry and the op- timization of several beam parameters at a high-energy beamline of the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble.      «

An advanced numerical procedure based on imaging of the material microstructure (Image- Based Finite Element Method or Image-Based FEM ) was extended and applied to model the thermomechanical behaviour of novel materials for fusion applications. Two tungsten based heterogeneous materials with different random morphologies have been chosen as challeng- ing case studies: 1) a two-phase mixed ductile-brittle W/CuCr1Zr composite and 2) vacuum plasma-sprayed tungsten (VPS-W 75 vol.%), a porous c...     »

Ein fortgeschrittenes numerisches Verfahren, basierend auf der Abbildung der Mikrostruktur (Image-Based Finite Element Method, Abk. Image-Based FEM ), wurde für die Modellierung des thermo-mechanischen Materialverhaltens neuer Fusionswerkstoffe weiterentwickelt. Zwei auf Wolfram als Hauptbestandteil basierende heterogene Materialien mit unterschiedlichen, zufälligen Morphologien auf mehreren Längenskalen wurden als Fallstudien ausgewählt: 1) gemischte duktil-spröde W/CuCr1Zr-Verbundwerkstoffe und 2) vacuum plasma-sprayed tung- sten (VPS-W 75 vol.%), ein plasmagespritztes poröses Beschichtungssystem mit einer zwei- skaligen Mikrostruktur. Beide Materialien sind für den Einsatz in dem zukünftigen Fusionsreak- tor DEMO geplant: W/CuCr1Zr-Verbundwerkstoff als Hauptbestandteil eines Gradienten- Übergangs und VPS-W als mögliche Lösung für die Beschichtung der ersten Reaktorwand mit unmittelbarem Plasmakontakt. Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die numerische Modellierung von Materialversagen und Wärmetransport in Werkstoffen mit zufälliger Mikrostruktur durch Untersuchung des mesoskopischen und makroskopischen Werkstoffverhaltens. Besondere Beachtung wurde dabei der experimentellen Validierung von Simulationsergebnissen geschenkt. Direkte Simulation auf der realen Mikrostruktur ergab wichtige Erkenntnisse über den komplexen Versagensmecha- nismus beider Materialien. Für den W/CuCr1Zr Werkstoff wurde die gesamte Spannungs- Dehnungs-Kurve (inklusiv des Entfestigungs- und Versagensteils) bei unterschiedlichen Tem- peraturen berechnet und dabei eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten gefun- den. Darüber hinaus konnten neue Möglichkeiten zur Bestimmung von meso- und mikroskaligen Material-Parametern aus dem experimentell ermittelten makroskopischen Verhalten hinsichtlich plastischer Verformung bzw. Versagen aufgezeigt werden. Sowohl die Wärmeleitung als auch das elastische Verhalten von VPS-W wurden umfassend untersucht. Neue mögliche Anwendungen des Image-Based FEM wurden hier damit gezeigt:quantitative Dekomposition des Beitrages der einzelnen morphologischen Phasen zur Behin- derung der Wärmeübertragung und Abschätzung der reduzierten Steifigkeit an den interlamel- laren Grenzflächen. Die Mikrostruktur realer VPS-W-Proben wurde sowohl bei der Entwicklung der planaren als auch der dreidimensionalen Modelle berücksichtigt. Um Zugang zu der realen dreidimensionalen Mikrostruktur zu gewinnen war eine Synchrotron-Mikrotomographie des Beschichtungssystems erforderlich. Wegen der starken Absorption von Röntgenstrahlung durch Wolfram war die to- mographische Messung eine technische Herausforderung. Die Tomographie eines heterogenen Materials mit Wolfram als Hauptanteil erforderte die Entwicklung einer speziellen Probenge- ometrie sowie die Optimierung mehrerer experimenteller Parameter an einer Hochenergetischen Beamline des European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble.     «

Ein fortgeschrittenes numerisches Verfahren, basierend auf der Abbildung der Mikrostruktur (Image-Based Finite Element Method, Abk. Image-Based FEM ), wurde für die Modellierung des thermo-mechanischen Materialverhaltens neuer Fusionswerkstoffe weiterentwickelt. Zwei auf Wolfram als Hauptbestandteil basierende heterogene Materialien mit unterschiedlichen, zufälligen Morphologien auf mehreren Längenskalen wurden als Fallstudien ausgewählt: 1) gemischte duktil-spröde W/CuCr1Zr-Verbundwerkstof...     »