凝固模拟的的高通量计算:Al-Cu-Mg合金的热裂敏感指数图

目的: 预测 Al-Cu-Mg 合金的热裂倾向介绍了如何计算在一定凝固条件下单个合金的裂纹敏感性指数(CSI)。本例将介绍如何使用高通量计算获得一定成分范围内合金的裂纹敏感指数图。

模块: 凝固模块

热力学+迁移率数据库: PanAl_TH+MB.pdb

sdb文件: Al_Alloys.sdb

说明: 在 Pandat™ 2022 版本中, CSI已经定义为系统内置性质,在"Table editor"界面,用户可以直接选择或者输入CSI来替代表达式 "-T//sqrt(fs)"。

计算过程:

  • 创建工作空间,选择PanSolidification: 参见Pandat 用户手册: 工作空间(Workspace)

  • 调用 PanAl_TH+MB.pdb数据库,选择Al,Cu,Zn组元: 参见Pandat 用户手册: 调用数据库

  • 从菜单栏PanSolidification → Load SDB或者单击按钮后,调用 Al_Alloys.sdb文件;选择合金Al alloys;

  • 启动HTC功能:从菜单栏Batch Calc → High Throughput Calculation (HTC)

  • 从HTC弹出窗口的下拉列表中选择计算类型,然后选择“ pan_solidification”,如图 1所示。

    图 1:  在PanSolidification中选择HTC计算类型

  • 图 2所示为HTC凝固计算条件设置界面;除成分设置之外,其余条件设置与 预测 Al-Cu-Mg 合金的热裂倾向中单个合金凝固条件设置类似。

  • 定义HTC计算的成分空间。将Cu和Mg的成分范围设置为0-5 wt.%,步数(#steps)为10,然后在Al的成分区域上点击右键,设置为余量,界面显示为 "-1",如图 2所示。

  • 定义HTC计算的凝固条件,即冷却速度为20 K/s和温度梯度设置为10-3°C/μm,如图 2所示。

  • 预测 Al-Cu-Mg 合金的热裂倾向类似,点击Extra Outputs按钮,出现图 3所示界面,然后点击蓝色 “+”按钮,在弹出如图 4所示的Table Editor界面中选择或键入要导出的性质,sqrt(fs), -T//sqrt(fs)等;

  • 同样可以通过 “Extra Outputs graph”,设置输出 sqrt(fs)为X轴,-T//sqrt(fs)为Y轴的额外图形。

  • 设置完所有条件后,点击 “Run HTC” 按钮来运行HTC计算。(详细信息参见 Pandat 用户手册: 凝固模块的高通量计算教程 ).

图 2:  PanSolidification中的HTC计算:设置成分范围和凝固条件对话框

图 3:  设置额外输出(set Extra Outputs)界面

图 4:  在额外输出表格中定义性质

计算后处理: 结果分析

  • 完成所有计算后,通过菜单Batch Calc → Result Analysis进行分析结果。用户可以通过打开相应的工作空间来分析所选HTC计算的结果,如图 5所示;

图 5:  “Result Analysis”的弹出对话框以选择目标工作空间文件

  • 定义结果分析标准: 如图 6所示,分析“generated table”,设置条件以找到每种合金成分下的CSI值,即在sqrt(fs)< 0.99处,CSI=MAX(-T//sqrt(fs));

  • 图 6:  凝固结果分析设置标准:sqrt(fs)< 0.99,CSI=MAX(-T//sqrt(fs))

  • 结果分析后,将生成一个列出每种合金成分CSI = MAX(-T//sqrt(fs)) 的表格,如图 7所示;

  • 选择w%(Cu)作为X轴,按 <Ctrl>键,然后分别选择w%(Mg)和(-T//sqrt(fs))作为Y轴和Z轴,在工具栏上单击按钮生成图 8,该图给出了冷却速度为20 K/s的Al-Cu-Mg合金的裂纹敏感指数图;

  • 模拟结果图 8图 9中的实验结果中热裂倾向与合金成分范围趋势吻合较好。

图 7:  结果分析后,生成的包含每种合金成分的CSI = MAX(-T//sqrt(fs)) 的表格

图 8:  冷却速率为20 K/s是Al-Cu-Mg三元系的裂纹敏感指数图

图 9:  实验测得的裂纹敏感性结果